北京科技大学铸造合金及制备工艺4.1-铸造铝合金-1

共晶Al-Si合金组织（Si=12.5wt%） 平衡凝固的组织中一般不出现初生α 相，但实际凝固组织中常常会出现一些 初生α相； 凝固组织的主体是（α+β）共晶体，共 晶Si即β相呈针状或片状； 共晶Al-Si合金的凝固组织如下图所 示。
成分(wt%)：Si 12.0，Mg 0.50，Cu1.50，Mn 0.45，Fe0.30；金属型铸造， 未热处理；组织特征：大量的α（Al）+Si共晶体，黑色骨骼状为Mg2Si，浅 灰色为AlFeMnSi相，白色为θ（Al2Cu）相；浸蚀剂：0.5%HF水溶液
由上图可知： 对于砂型铸件，随着含Si量的提高，σb先 上升；当Si量约为11wt%时， σb达到最大 值；随后， σb下降；随着Si量的提高， δ 持续下降，但Si量在11wt%附近时， δ有一 定升高。
Si对金属 型铸件力学 性能的影响 也有类似的 规律，如左 图所示，最 大的σb出现 在Si量 13wt%附 近。
含Si量与铝硅合金机械性能的关系
金属型铸件
高含Si量 对Al-Si合金 力学性能的 影响如左图 所示；由图 可见，当Si 量12wt%以 后，力学性 能急剧下 降。
高含Si量与铝硅合金力学性能的关系
二元Al-Si合金力学性能总结 二元Al-Si合金的强度不高，不能通过热处理进 行强化，所以，目前只有一个牌号，即ZL102 （含Si10 ∼ 13wt%），σb约为140 ∼ 160MPa，δ 约为2 ∼ 4%。 不能热处理强化的原因：Si在Al中的扩散速度 很快，硅相极易析出，甚至在淬火条件下也不能 抑制硅自过饱和的α相中的析出，因此二元Al-Si 不能时效强化，故其强度较低。
日本
在大气、淡水中，铝合金具有良好的耐 蚀性能，广泛应用于民用器皿和家用电 器的制造，也广泛应用于化学工业。 铝合金具有良好的导热性，广泛应用于 有导热能力要求的场合，如换热器、活 塞、缸盖等。 铝合金具有良好的铸造性能：铝合金的 熔点低，凝固潜热大，流动性良好，适 合于制造较为复杂的铸件。
铸造铝合金的分类 依据主要合金元素的种类，铸造铝合金可 以分类如下： 铸造铝硅合金，ZL1××，如ZL102; 铸造铝铜合金，ZL2××，如ZL201; 铸造铝镁合金，ZL3××，如ZL301; 铸造铝锌合金，ZL4××，如ZL402。
成分(wt%)：Si 10∼13， Fe＜0.7；状态：砂型铸 造，未热处理；组织特 征：灰色粗大块状相为 初生Si，灰色片状和针 状相为共晶Si；浸蚀 剂：0.5%HF水溶液
过共晶Al-Si合金组织（Si＞12.5wt%） 初生Si （即β相）：共晶反应前形成的粗 大多角形的β相； （α+β）共晶体：共晶反应产物， β相呈 针状或片状； 过共晶Al-Si合金的凝固组织如下图所 示。
4.1 铸造铝合金及制备工艺
铝在地壳中的存储量极高，约占7.5%，比 所有的其它金属元素的储量都高。 纯铝的密度小，塑性高，导电性和导热性 良好。 铝合金分为变形铝合金和铸造铝合金两大 类，本课只涉及铸造铝合金。
4.1.1 铸造铝合金的特点及分类 密度低、比强度高 ZL104铝合金与钢的密度、比强度的比较；
初生Si的细化 细化目的：过共晶Al-Si合金中的粗大的多角 初生Si使铝硅合金的强度和塑性严重下降，而 且机加工性能也非常差，所以需要细化初生 Si； 细化剂：当合金中加入适量的P或S，就可以 使初生Si得到明显细化，所以赤磷或硫磺可作 为过共晶Al-Si合金的细化剂； 细化后的过共晶Al-Si合金的凝固组织如下图 所示。
4.1.2 铸造铝硅合金 铸造铝硅合金主要以Si作合金元素，提 高铸造性能，即提高合金的流动性和气 密性、降低合金的热裂倾向、减少疏 松，从而获得健全致密的铸件； 铸造铝硅合金具有好的耐蚀性和中等的 切削加工性能，具有一般的强度和硬 度，塑性较低； 合金分为：亚共晶、共晶和过共晶合 金，如ZL101、ZL102、ZL117等，常用 牌号约18个。
初生硅
过共晶铝硅合金的显微组织 成分(wt%)：Si 20；金属型铸造，左图经P细来自百度文库，右图未经P 细化；浸蚀剂：0.5%HF水溶液
初生硅
4.1.2.3 铸造 铝硅合金的 性能 Si对二元铝 硅合金砂型 铸件性能的 影响如左图 所示。
含Si量与铝硅合金力学性能的关系 砂型铸件，实线为变质数据，虚线为未变质 数据
铸造轴承合金 轴承合金用来制造滑动轴瓦或轴套，要求摩 擦系数低、耐磨、一定的承载能力； 轴承合金可分为铁基和非铁基两类，非铁基 轴承合金主要指锡基、铅基、铝基和铜铅轴承 合金； 锡基和铅基轴承合金的熔点低，统称为巴氏 合金，主要制造汽车和大马力低速船用柴油主 机轴瓦，占轴瓦总数的85%以上； 铝基和铜铅轴承合金用来制造大功率汽车发 动机、高速柴油机的轴瓦；
变质方法 在合金中加入适量的Na（残留Na为 0.001∼0.003wt%），就可以使针状或片 状的共晶硅转变为纤维状共晶硅；在较 低放大倍数（100 ∼200X ）下，纤维状 共晶硅呈现为点状； 钠盐变质效果如下图所示；
共晶体 Mg2Si相
初生α相
砂型铸造ZL101合金，变质处理，未热处理；组织特征：初生α（Al）呈枝 晶，共晶Si呈细小质点；浸蚀剂：0.5%HF水溶液
铸造高温合金 高温合金又称为耐热合金、或热强合金、或 超合金，能在600∼1000℃的高温氧化气氛和 燃气腐蚀条件下长时间承受较大的工作载荷， 如燃气轮机的热端部件； 按合金基体可将高温合金分为三类：镍基、 铁基和钴基；铸造高温合金是高温合金中的重 要分支，如发动机定向凝固或单晶叶片； 铸造高温合金的合金元素多，分别起固溶强 化、弥散强化、晶界强化和表面稳定化，使高 温合金具有优异的性能； 铸造高温合金中的活性元素较多，需要采用 真空冶炼和铸造技术。
初生硅
过共晶铝硅合金的显微组织 成分(wt%)：Si 24；砂型铸造，未变质；浸蚀剂：0.5%HF水溶液
共晶硅的变质处理 变质目的：铝硅合金在一般条件下凝 固，共晶硅生长成针状或片状，属于脆 性相；在受力时，这种针状或片状共晶 硅容易引起应力集中，易于导致微裂纹 产生，所以针状或片状共晶硅会降低合 金的强度和塑性；变质的目的就是改变 共晶硅的形貌。
共晶硅
含铁相
ZL101铝合金；挤压铸造，未热处理；组织特征：由于冷却速度快，浅色初生 α（Al）固溶体枝晶和共晶Si较细小；浸蚀剂：0.5%HF水溶液
铁相
成分(wt%)：Si 7.0，Mg 0.50，Fe0.70；砂型铸造，未热处理；组织特征：由 于冷却速度较慢，浅色初生α（Al）固溶体枝晶和共晶Si较粗大；由于Mg 、 Fe含量高，组织中出现较多的显相界的灰色针状相和片状相β（Al9Fe2Si2） 相，不显相界的浅灰色骨骼状是Al8FeMg3Si6相；黑色骨骼状是Mg2Si，深灰 色片状相是共晶Si；浸蚀剂：0.5%HF水溶液
4.1.2.1 铸造铝硅合金的相图 铝硅合金二元相图如下
Al-Si二元合金平衡相图
相图中的重要区域与反应 单相区： L液相区和α固相区； 双相区：L+ α、L+β、α+β； 共晶反应 L(12.5wt%Si) = α(1.65wt%Si) + β(99.83wt%Si) 共晶反应温度：577℃。
由上图看，钠盐的变质效果很好，因 而应用广泛，但钠盐变质剂的有效期仅为 30min左右； 常用钠盐变质剂：二元钠盐，如(NaF 67wt%+NaCl 33wt%)；三元钠盐(NaF 25wt%+NaCl 62.5wt%+KCl 12.5wt%) ；
长效变质剂 Al-Sr合金，变质有效期为6 ∼10hr；变质过 的合金在重熔时仍然具有变质效果，可重熔3∼4 次。 Sb的变质有效期>100hr, 可多次重熔，仍有 变质效果。 Te的变质有效期极长，可多次重熔，仍有 变质效果。 Al-Sr变质效果如下图所示。
变质对铝硅合金力学性能的影响 砂型铸件，实线为变质结果，虚线为未变质结果
如果 变质剂加 入不足， 会出现变 质不足， 如左图所 示。
变质正常 区域
变质不足
成分(wt%)：Si 11.8， Fe0.35；金属型铸造，钠盐变质处理，未热处 理；组织特征：变质不足组织，共晶Si未完全细化，浅灰色骨骼状为α （Al12Fe3Si）；浸蚀剂：0.5%HF水溶液
材料 ZL104(T6 处理) 45#铸造碳 钢(退火) ρ (g/cm3) 2.65 7.8 σb （MPa） ＞280 600 比强度 (N⋅mm/g) 1.06×105 0.77×105
ZL104的比强度比铸造碳钢的比强度高约 38%；
承受同样的载荷，铝合金零件将比钢件轻； 铝合金特别适合制造航天、航空设备零件， 如仪表的外壳、框架等； 为了减少燃油消耗、保护环境，近年来，全 球汽车发展的趋势是轻量化，即汽车将采用越 来越多的轻质金属材料，而铝合金将是首选材 料。铝合金主要制造发动机的缸体、缸盖、进 气歧管、轴承座、离合器壳、变速箱壳、活 塞、汽车轮等，如下图所示。
富钠相
如果 变质剂加 入过多， 会出现过 变质现 象，如左 图所示。
富钠相
成分(wt%)：Si 11.8， Fe0.35；砂型铸造，钠盐变质处理，未热处理；组织 特征：变质过度组织，共晶Si呈细小点状和针状，初生α（Al）呈枝晶，还出 现较粗大的粒状共晶Si和黑色片状的富钠化合物过变质区；浸蚀剂：0.5%HF 水溶液
铝合金发动机缸盖、进气歧管、活塞铸件
汽车发动机缸盖铸件
汽车发动机进气歧管
汽车发动机连杆
汽车铝合金轮毂
摩托车发动机铝合金铸件
其它铝合金铸件
美国日本汽车用铝变化表
国别 年份 钢材 美国 1983 1985 1990 1973 1978 1980 54 55 56 61.2 61.7 60.6 材料构成比例（%） 铸铁 铝合金 塑料 其它 16 12 10 13.8 10.8 10.8 4 5 8 3 4.2 4.5 6 8 12 3.6 5.0 6.1 20 20 14 18.4 18.3 18.0 车辆自 重 （Kg） 1500 1320 1130 1020 1120 1090
共晶硅 初生α相
成分(wt%)：Si 9.4∼9.7，Mg 0.30 ∼ 0.35，Mn 0.50，Fe＜0.40；金属型铸 造，Al-Sr合金变质，T6热处理；组织特征：α（Al）初晶呈枝晶，共晶Si呈 细小质点；浸蚀剂：0.5%HF水溶液
影响变质效果的因素 铸件壁厚越大，冷却速度越小，变质 效果愈小，这就是变质处理的壁厚敏感 性；同理，金属型铸造条件下的变质效果 好于砂型铸造； 在亚共晶Al-Si合金范围内，随Si量的 提高，变质效果愈显著，变质对塑性的作 用更显著，如下图所示。
4.1.2.2 铸造铝硅合金的平衡凝固组织 亚共晶Al-Si合金组织（Si＜12.5wt%） 初生α相：共晶反应前形成的树枝状的硅在 铝中的固溶体；在577℃时，初生α相最多可溶 解1.65wt%Si； （α+β）共晶体：在577 ℃时，共晶反应的 产物，β相为铝溶解在硅中形成的固溶体，几 乎为纯硅，形状呈针状或片状；共晶α沿着初 生α生长，无法分辨； 亚共晶Al-Si合金的凝固组织如下图所示。
铸造锌合金 铸造锌合金主要用作压铸合金；合金 熔点低，压铸型寿命长；压铸件的尺寸 精度高，易于电镀；广泛应用于汽车、 拖拉机和仪表行业； 重力铸造锌合金主要用作轴承耐磨合 金； 锌合金价格较低。
铸造钛合金 钛在地壳中的储藏量很丰富；在所有元素 中，钛的储量具第9位；在常用金属中，钛的 储量仅次于铝、铁和镁； 钛的密度小，比强度高，韧性高，无磁性， 熔点高，热膨胀系数低，耐腐蚀； 在液态，钛合金几乎能与各种耐火材料起反 应，导致钛合金的熔炼和铸造工艺很复杂； 钛合金广泛应用于航空、航天、航海、军 械、医疗器械、石油化工等行业。
铸造合金及制备工艺
材料科学与工程学院 材料成形与控制工程系 毛卫民
4 铸造非铁合金
铸造非铁合金：除过铁以外的所有铸造合金。 铸造非铁合金分类： 铸造铝合金（Cast Aluminum Alloy） 铸造铜合金（Cast Copper Alloy） 铸造镁合金（Cast Magnesium Alloy） 铸造锌合金（Cast Zinc Alloy） 铸造钛合金（Cast Titanium Alloy） 铸造轴承合金（ Cast Bearing Alloy ） 铸造高温合金（Cast Superalloy）