合金材料及熔煉1

《合金材料及熔煉》

——有色合金部分1華中科技大學(xué)材料學(xué)院材料成形及控制工程專業(yè)課程鑄造合金原理及熔煉教案

呂書林21、有色合金概論有色合金或非鐵合金

鋁合金

銅合金

鎂合金鑄造鈦合金

鋅合金

鈦合金按加工方法分類：鑄造鋁合金、變形鋁合金，等。按密度大小分類：輕有色合金：鋁、鎂、鈦重有色合金：銅、鋅、鎳、鈷、錫、金等

鎂合金

鈦合金31、有色合金概論轎車上的鑄件—很多是鋁鑄件或正在改為鋁、鎂鑄件41、有色合金概論鑄造鋁合金——進(jìn)氣歧管51、有色合金概論壓鑄鋁合金——液壓閥體61、有色合金概論鋁合金鍛件71、有色合金概論鑄造鋁合金——發(fā)動機(jī)缸體8車門儀表板缸體蓋板進(jìn)氣管1、有色合金概論鎂合金的應(yīng)用舉例91、有色合金概論鑄造鎂合金的應(yīng)用舉例10壓鑄鎂合金的應(yīng)用舉例1、有色合金概論111、有色合金概論分類合金名稱合金系牌號舉例性能特點(diǎn)主要用途不能熱處理強(qiáng)化鋁合金防銹鋁Al-Mg5A05，5052抗蝕性、壓力加工性好，但強(qiáng)度較低。用于焊接在液體中工作的容器和構(gòu)件，如油箱、液體導(dǎo)管，或裝飾件等。Al-Mn3A21；3003可熱處理強(qiáng)化鋁合金硬鋁Al-Cu-Mg2A11,2A12，2014力學(xué)性能高。中等強(qiáng)度或高負(fù)荷零件，如葉片、螺栓等。超硬鋁Al-Zn-Mg-Cu7A04,7A097075室溫強(qiáng)度最高。高載荷零件，如飛機(jī)大梁、加強(qiáng)框等。鍛鋁Al-Mg-Si-Cu2A14,2A50，6A02鍛造性能和耐熱性好。適于形狀復(fù)雜、中等強(qiáng)度鍛件和沖壓件，如風(fēng)扇葉輪、活塞等。Al-Cu-Mg-Fe-Ni2A70,2A80

表

變形鋁合金分類、性能特點(diǎn)及用途變形合金！121、有色合金概論變形鋁合金的典型應(yīng)用各種建材工業(yè)鋁型材高速列車鋁合金車體全鋁合金轎車架131、有色合金概論國內(nèi)鋁、鎂、鈦合金材料應(yīng)用簡況：

部分零部件的制造水平達(dá)到國際水平

鋁、鎂、鈦合金的使用量有待提高

鋁、鎂、鈦合金零件的制造技術(shù)需要進(jìn)一步開發(fā)141、有色合金概論本課程學(xué)習(xí)的目的：（1）掌握幾種主要材料的化學(xué)組成、組織及性能；（2）掌握幾種合金的合金化原理及方法；（3）掌握幾種合金的熔煉、精煉、變質(zhì)處理的原理及方法；（4）了解合金材料的標(biāo)準(zhǔn)及用途。151、有色合金概論本課程學(xué)習(xí)的主要內(nèi)容：（1）鋁合金——重點(diǎn)內(nèi)容；（2）銅合金；（3）鎂合金；（4）鋅合金（了解）；（5）合金熔煉原理及方法。161、有色合金概論本課程學(xué)習(xí)的要求：（1）聽課（作筆記）（2）習(xí)題（或思考題）（3）考試（考查）（4）對教材、內(nèi)容提出意見和建議參考教材：蔡啟舟，吳樹森編，《鑄造合金原理及熔煉》，化學(xué)工業(yè)出版社，2010年173.1鑄造鋁合金鑄造鋁合金

鋁硅合金（Al-Si)

鋁銅合金（Al-Cu)

鋁鋅合金（Al-Zn)

鋁鎂合金（Al-Mg)183.1.1鑄造鋁硅合金Al-Si合金的二元相圖<0.1~0.05室溫溶解度（20

C）580

C1.65極限溶解度(一定溫度下)Si元素名稱Si在Al中的溶解度亞共晶Al-Si合金：Si≤11%共晶Al-Si合金：Si=11-13%過共晶Al-Si合金：Si≥13%共晶反應(yīng)：L→

(A1)十(Si)

(1)二元Al-Si合金193.1.1鑄造鋁硅合金未變質(zhì)的共晶Al-Si合金組織未變質(zhì)的過共晶Al-Si合金的塊狀初晶Si203.1.1鑄造鋁硅合金(2)Si含量對Al-Si合金性能的影響

a.物理、化學(xué)性能

純Si的顯微硬度為HVl000～1300；

＝7.6×10－6/K

213.1.1鑄造鋁硅合金b.力學(xué)性能

Si含量對Al-Si合金力學(xué)性能的影響(2)Si含量對性能的影響

注意：Al-Si合金強(qiáng)度的絕

對值（二元合金）；純Al的強(qiáng)度值。223.1.1鑄造鋁硅合金C.鑄造性能

重點(diǎn)掌握：流動性；收縮性d.加工性能

一般很好！過共晶初晶Si硬度大！233.1.2提高鑄造Al-Si合金性能的途徑生產(chǎn)中僅采用二元的Al-Si合金很少，只有一個牌號！表3.1鑄造鋁硅合金的牌號和化學(xué)成分(摘自GB/T1173-1995)

0.10~0.30Be0.15~0.40.35~0.556.5~8.5ZL116ZAlSi8MgBeSb0.1~0.251.2~1.80.4~0.654.8~6.2ZL115ZAlSi5Zn1Mg0.10~0.20Be0.04~0.070.45~0.606.5~7.5ZL114AZAlSi7Mg1A0.10~0.350.10~0.350.4~0.61.3~1.88.0~10.0ZL111ZAlSi9Cu2Mg0.2~0.55.0~8.04.0~6.0ZL110ZAlSi5Cu6MgNi0.8~1.50.8~1.30.5~1.511.0~13.0ZL109ZAlSi12Cu1Mg1Ni10.3~0.90.4~1.01.0~2.011.0~13.0ZL108ZAlSil2Cu2Mg13.5~4.56.5~7.5ZL107ZAlSi7Cu40.10~0.250.3~0.50.3~0.51.0~1.57.5~8.5ZL106ZAlSi8CulMg0.4~0.551.0~1.54.5~5.5ZL105AZAlSi5CulMgA0.4~0.61.0~1.54.5~5.5ZL105ZAlSi5Cu1Mg0.2~0.50.17~0.358.0~10.5ZL104ZAlSi9Mg10.0~13.0ZL102ZAlSil20.08~0.200.25~0.456.5~7.5ZL101AZAlSi7MgA0.25~0.456.5~7.5ZL101ZAlSi7MgTiMnZnMgCuSi主要元素重量百分?jǐn)?shù)(%)合金代號合金牌號243.1.2提高鑄造Al-Si合金性能的途徑3個措施：合金化；變質(zhì)或細(xì)化處理；熱處理

一、固溶強(qiáng)化——（合金化效果之一）原理（定義）：通過合金元素固溶于鋁基體中，使晶格發(fā)生畸變，從而使塑性變形的抗力增加，合金強(qiáng)度和硬度提高的過程叫做固溶強(qiáng)化。金屬學(xué)原理：溶質(zhì)原子與溶劑原子的尺寸差越大，溶質(zhì)原子的溶入量越多，晶格畸變也越大，固溶強(qiáng)化的效果也越好。例如：Al基體中加固溶度大的Mg、Cu等。

多元少量原則。

253.1.2提高鑄造Al-Si合金性能的途徑例：Al基體中加Cu圖固溶Cu原子與位錯的相互作用溶質(zhì)原子吸附于位錯周圍，形成“氣團(tuán)”，起到“釘扎”作用。（位錯帶著“氣團(tuán)”運(yùn)動需施加更大外力）263.1.2提高鑄造Al-Si合金性能的途徑二、時效強(qiáng)化——（合金化+熱處理）時效處理，又稱低溫回火。原理（定義）：指在固溶度隨溫度降低而減少的合金系中，當(dāng)合金元素含量超過一定限量后，淬火可獲得過飽和固溶體。在較低的溫度加熱(即時效)，過飽和固溶體將發(fā)生分解并析出彌散相，引起合金強(qiáng)度、硬度升高而塑性下降的過程。它也被稱為沉淀強(qiáng)化。

人工時效：按加熱溫度的高低分：不完全人工時效：150-170C；較高強(qiáng)度、良好塑性；

完全人工時效：175-185C；高強(qiáng)度、低塑性；

過時效：190-230C；較高強(qiáng)度，良好塑性、抗蝕性。273.1.2提高鑄造Al-Si合金性能的途徑舉例：Al-Si-Mg合金，添加少量Mg（0.2~0.4%），時效析出Mg2Si強(qiáng)化相。Mg含量對高硅鋁合金熱處理前后抗拉強(qiáng)度的影響（Al-20%Si-2Cu-1Ni-0.6RE）注意兩個問題：鑄態(tài)T6態(tài)283.1.2提高鑄造Al-Si合金性能的途徑三、過剩相強(qiáng)化——（合金化效果之一）原理（定義）：加入過量的合金元素時，一部分溶入固溶體，而超過極限溶解度的部分則不能溶入，形成過剩的第二相，較硬的第二相可阻礙基體的變形，從而使合金強(qiáng)化。例如鋁硅合金中的硅相。

過剩相強(qiáng)化效果與其特性、形態(tài)、數(shù)量、大小、分布有關(guān)。293.1.2提高鑄造Al-Si合金性能的途徑四、組織細(xì)化——提高性能原理？？？1、基體的細(xì)化：

-Al2、過剩相的細(xì)化：如Si相得細(xì)化3、有害相得細(xì)化：如雜質(zhì)鐵的粗大針狀β相(A15FeSi)

（后面會詳細(xì)的討論?。〩all-Patch公式：σs：屈服強(qiáng)度；σ0：單晶體屈服強(qiáng)度d：晶粒直徑。303.1.3鑄造Al-Si合金的變質(zhì)包括初晶α-Al固溶體、共晶Si以及初晶Si三個部分的變質(zhì)或細(xì)化。對于共晶Si，通常采用的是變質(zhì)處理工藝，而對初晶α-Al固溶體及初晶Si，通常采用的是細(xì)化處理工藝。

-Al與共晶Si初晶Si31變質(zhì)（Modification)——指通過添加少量元素改變凝固過程中晶體的生長形態(tài)獲得較理想的微觀組織的工藝方法，達(dá)到提高鑄件或鑄錠性能的目的。

細(xì)化（Refinement)——指通過增加晶核數(shù)量來實(shí)現(xiàn)晶粒細(xì)小化的工藝方法，以獲得組織細(xì)小的、性能高的鑄件或鑄錠。

“細(xì)化”與“變質(zhì)”，有些場合的傳統(tǒng)習(xí)慣稱呼未嚴(yán)格區(qū)分。

3.1.3鑄造Al-Si合金的變質(zhì)323.1.3鑄造Al-Si合金的變質(zhì)一、初生α-Al相的細(xì)化針對亞共晶Al-Si合金??！初生-Al初晶Si333.1.3鑄造Al-Si合金的變質(zhì)一、初生α-Al相的細(xì)化措施：在純鋁和鋁合金熔液中加入少量Ti、Zr、B等元素，使α基體的晶粒細(xì)化。

常用的是Al-5Ti，或Al-5Ti-1B中間合金。TiAl3(四方晶格)與鋁(面心立方晶格)的晶格型式相似，晶格常數(shù)相近：CTiAl3＝85.7nm，2CAl＝80.8nm，相差僅5.7％，不超過10％，故為非自發(fā)晶核；另，包晶反應(yīng)：L十TiAl3→α，也使α依附在TiAl3質(zhì)點(diǎn)上形核。Al-Ti狀態(tài)圖與鋁中添加Ti對晶粒數(shù)量的影響343.1.3鑄造Al-Si合金的變質(zhì)

一、初生α-Al相的細(xì)化

未加Al-Ti-B的ZL101合金

添加1%的Al-5Ti-1B細(xì)化劑

典型大樹枝晶晶粒顯著細(xì)化353.1.3鑄造Al-Si合金的變質(zhì)二、共晶Si相的變質(zhì)——針對亞共晶及共晶合金未變質(zhì)的共晶Al-Si合金的板片狀共晶硅立體的水淬組織0.05%鍶變質(zhì)，球粒狀共晶硅立體的水淬組織：珊瑚狀共晶硅363.1.3鑄造Al-Si合金的變質(zhì)（1）措施：加入微量元素。對共晶體(α十Si)可起變質(zhì)作用的元素：

Sr、Sb、RE，Bi、Ba、S、Ca、Te、Na等最常用：（1）(0.04％~0.08％)Sr——以Al-10%Sr

中間合金形式加入。（2）加入Na鹽。二、共晶Si相的變質(zhì)373.1.3鑄造Al-Si合金的變質(zhì)（2）加Sr變質(zhì)工藝二、共晶Si相的變質(zhì)Δ變質(zhì)溫度：740--780CΔ變質(zhì)劑加入量：(0.04％~0.08％)Sr，（Al-10%Sr)?Δ

操作要點(diǎn)：加入后保溫15min才有效果；加Sr后再除氣。Δ優(yōu)點(diǎn)：加Sr變質(zhì)較簡單（Al-10%Sr)；環(huán)境好。變質(zhì)效果好；保持時間長——長效變質(zhì)劑。Δ

缺點(diǎn)：縮松傾向大；易吸氣。38

舉例：Sr對ZL104合金共晶組織的影響

00.005%Sr0.010%Sr0.012%Sr0.015%Sr0.018%Sr0.020%Sr0.022%SrSr增多，共晶硅越來越細(xì)小加入量的影響3925min40min90min 120minSr加入量為0.02%，隨著保溫時間延長，共晶硅變粗大保溫時間的影響

舉例：Sr對ZL104合金共晶組織的影響

403.1.3鑄造Al-Si合金的變質(zhì)（3）Na鹽變質(zhì)工藝二、共晶Si相的變質(zhì)Al-Si合金常用的鈉鹽變質(zhì)劑成分NaF起變質(zhì)作用，為主要成分；其他組分為助熔劑（覆蓋劑）——降低熔點(diǎn)、清渣。

3NaF十A1→A1F3十3Na413.1.3鑄造Al-Si合金的變質(zhì)（3）Na鹽變質(zhì)工藝二、共晶Si相的變質(zhì)Δ變質(zhì)溫度：740--760CΔ變質(zhì)劑加入量：變質(zhì)劑用量應(yīng)占鋁液重量的1％~3％。Δ

操作要點(diǎn)：靜置(12~15)min、結(jié)殼；壓鹽、攪拌(1~2)min使其混合；然后在(30~40)min內(nèi)澆完。Δ優(yōu)點(diǎn)：變質(zhì)效果好；穩(wěn)定。Δ

缺點(diǎn)：易變質(zhì)衰退（一般40min）；腐蝕坩堝及工具；環(huán)境差。42舉例：Na鹽變質(zhì)工藝對ZL101合金組織的影響0.5%Na鹽 0.8%Na鹽

1.0%Na鹽

1.5%Na鹽

2.0%Na鹽

2.5%Na鹽過變質(zhì)隨著Na鹽加入量的增加，共晶硅越來越細(xì)小，加入過多Na鹽易過變質(zhì)4315min 25min

35min

隨保溫時間延長，變質(zhì)逐漸衰退

45min55min舉例：Na鹽變質(zhì)工藝對ZL101合金組織的影響443.1.3鑄造Al-Si合金的變質(zhì)（4）共晶Si變質(zhì)機(jī)理二、共晶Si相的變質(zhì)①硅晶吸附變質(zhì)元素阻礙生長理論：鈉原子不溶于α固溶體，而呈薄膜狀，主要吸附在Si晶核的表面，構(gòu)成濃度起伏，形成分支結(jié)構(gòu)。②抑制硅晶核心AlP生成理論：

AlP十3Na→Na3P十A1

由于AlP被破壞，硅晶體不易析出，使合金液過冷，細(xì)化共晶組織。當(dāng)添加少量Sr時，也發(fā)現(xiàn)生成了Sr3P2化合物，中和了P生成AlP作為硅的非自發(fā)晶核的作用。

453.1.3鑄造Al-Si合金的變質(zhì)二、共晶Si相的變質(zhì)③孿晶生長缺陷理論

沿<111>面鋪開長成板片狀

Na或Sr吸附在臺階處，阻礙<111>面生長；2.引起原子錯排，促進(jìn)孿晶形成，形成細(xì)小分枝。(a)硅的金剛石型晶體(b)硅晶體的孿晶缺陷及晶體沿孿晶臺階生長463.1.3鑄造Al-Si合金的變質(zhì)三、初晶Si相的細(xì)化未細(xì)化處理的過共晶A390鋁合金塊狀初晶Si

-Al與共晶Si初晶Si473.1.3鑄造Al-Si合金的變質(zhì)三、初晶Si相的細(xì)化未細(xì)化處理的過共晶A390鋁合金的塊狀初晶Si

采用P變質(zhì)的Al-20%Si合金的顯微組織

磷細(xì)化處理：P加入量：0.04%~0.08%483.1.3鑄造Al-Si合金的變質(zhì)三、初晶Si相的細(xì)化過共晶Al-Si合金的應(yīng)用領(lǐng)域：汽車、摩托車、家電、高速列車、工程機(jī)械等?？照{(diào)壓縮機(jī)斜盤活塞缸體493.1.3鑄造Al-Si合金的變質(zhì)三、初晶Si相的細(xì)化合金代號國別合金元素（wt%）SiCuMgMnFeNiTi其它A390美16~184.50.45~0.65≤0.10.5—＜0.1—A393美22.00.91.02.3—1.3——KS281德19~211.3~1.71.3~1.70.4～0.60.70.8~1.30.2Zn:0.2KS282德24~260.8~1.30.8~1.30.20.70.8~1.3—Co:0.3~0.5AK21俄20~221.4~1.80.4~0.80.6～0.80.71.4~1.6——LM29英22~250.9~1.30.8~1.30.60.70.8~1.30.2Cr:0.6AC9A日22~240.5~1.50.5~1.5≤0.1＜0.80.5~1.5＜0.2Zn:＜0.5AS-20U法18~221.0~3.00.10.10.751.50.2Zn:＜0.2Al-18Si中181.3~1.50.3~0.50.4～0.6＜0.7———76-1中18~221.5~2.00.1~1.00.35~0.45＜0.35——RE:1~1.5國內(nèi)外過共晶Al-Si合金代號及成分表503.1.3鑄造Al-Si合金的變質(zhì)三、初晶Si相的細(xì)化P細(xì)化（變質(zhì)）的作用機(jī)理：

與鋁形成AlP化合物。AlP的晶格常數(shù)a=0.5451nm，而Si的晶格常數(shù)為a=0.5428nm。AlP可以起到Si相的異質(zhì)核心的作用，由于晶核數(shù)目增加而使初晶硅細(xì)化。

可將初晶Si從大于100

m細(xì)化到25

m~50

m。

但P對共晶硅沒有變質(zhì)作用。

本課題組的成果之一（下圖為面掃描成分分析）Al-Si合金中初晶Si以AlP為核心513.1.3鑄造Al-Si合金的變質(zhì)三、初晶Si相的細(xì)化P細(xì)化處理工藝加入量：

P加入量0.04%~0.1%；（殘留量很少，0.005%左右）加入方式：

Cu-P（8%~14%）中間合金；

Al-P（或Al-AlP)中間合金。加入溫度：一般高于合金液相線120-150℃

特點(diǎn)：變質(zhì)效果好；作用時間長（長效變質(zhì)劑）523.1.3鑄造Al-Si合金的變質(zhì)三、初晶Si相的細(xì)化本課題組完成的國家863計(jì)劃項(xiàng)目成果：（1）設(shè)計(jì)、研制出新型耐熱低膨脹高硅鋁合金及其制備方法

鋁硅銅鎳鎂稀土鋁合金：Al-20Si-2Cu-1Ni-0.4Mg-0.6Re

主要特色：（1）加入稀土Re提高高溫性能，同時細(xì)化共晶Si。（2）P＋Re復(fù)合變質(zhì)。（3）綜合考慮了Cu、Ni、Mg的平衡作用。50μm(a)50μm(b)

(a)P變質(zhì);(b)P-RE變質(zhì)不同變質(zhì)劑處理的含0.4%Mg高硅鋁合金鑄態(tài)金相組織533.1.3鑄造Al-Si合金的變質(zhì)三、初晶Si相的細(xì)化50μm(a)50μm(c)50μm(b)高硅鋁合金T6熱處理組織(a)0%Mg;(b)0.4%Mg;(c)0.8%Mg53Mg含量對合金抗拉強(qiáng)度的影響（P+Re復(fù)合變質(zhì)）（未超聲處理，非半固態(tài)成形）543.1.3鑄造Al-Si合金的變質(zhì)