铝合金熔炼

Fe、Mg及冷却对材料性能的影响
Fe、Mg及冷却对材料性能的影响
Fe、Mg及冷却对材料性能的影响
常用名词解释
• 合金：是两种或两种以上的金属或金属元素与非金属元素熔合在一起 所得到的具有金属特性的物质。组成合金的各元素称组元。它们交互 作用形成多种相，即合金中具有同一化学成份、同一结构和原子聚集 状态的均匀部分。不同相之间有明显的界线分开。相的结构可分为固 溶体和化合物两大类。 • 固溶体：是指溶质原子溶入溶剂晶格中而仍保持溶剂晶格类型的一种 金属晶体。大多数溶质原子在溶剂晶格中溶解度是有一定限度的，过 量会形成新相。 • 固溶强化：通过溶入某种溶质元素形成固溶体，使晶格常数变化越大， 其强化效果也越大。这种现象称固溶强化。 • 金属化合物（中间相）：是合金元素间发生相互作用而生成的一种新 相（溶质含量越过溶解度），当合金中出现金属化合物时，通常能提 高合金的强度、硬度和耐磨性，但会降低塑性。 • 共晶是在低于任一种组成物金属熔点的温度下所有成分的融合。在大 多数例子中，共晶合金中组成物金属的熔点与它在纯金属状态下的熔 点相差100℃。共晶合金直接从固态变到液态，而不经过塑性阶段。其 熔化温度称共晶温度。 • 烧损：熔炼过程中，熔体由于氧化而变成某些不能回收的金属化合物 时，这种损失统称为烧损，其大小与炉型、炉料状态、生产工艺等有 关。
铝及铝硅金
铝的主要性能：比重小，纯铝约2.7g/cm3，大约只有 钢和铜的三分之一，导电、热性高，仅次于银和铜， 耐腐蚀性好，加工性好，无毒，铝合金比强度（强 度与比重的比值）高，还有良好的低温反射性能， 无磁性，不起火花，表面光泽美观，能表面涂饰等 多种特殊性能。 工业上使用的纯铝纯度为99.7％，溶点660.37℃。 具有面心立方格，无同素异晶转变，在空气中易在 表面形成致密的氧化膜。沸点2450℃。 ZL101合金： 在700℃时比重为2.4g/cm3，阻力系数µ 为1.27,动力 粘度η为0.023g/Cm· S，固态理想 密度为2.68克/立方 厘米，固相线温度及液相线温度555℃-615℃。
铝合金的熔炼和净化
一。我厂熔炼合金牌号介绍 成分影响 二。熔炼工序的重要性 三。熔炼设备－熔炼炉介绍 熔炼 炉 AL2O3和H2的关系 四。工艺流程介绍 电磁搅拌 五。铝液净化 防 排-熔剂 喷粉精炼 气泡浮游法 过滤 溶 六。铝液变质和细化 Sr变质 Ti细化 七。检验手段 八。其它设备－铝屑和铝灰处理
合金中各种成份的特性及作用
• Si（硅）流动性好，改善充型能力，在结晶过程中散发出大量热。几 乎不收缩，减少了合金收缩率减少缩孔、缩松及热裂倾向，提高气密 性。在变质后提高强度，有耐磨性和抗腐蚀性。增抗拉强度降低延伸 率。当含量在5％时有流动性，占6％时无热裂，占9％时无疏松，占 14％时变质不起作用。 • Mg（镁）使合金抗拉强度增加，降延伸率。在合金中与硅形成Mg2Si 相，在亚共晶合金中经淬火和时效处理后，机械性能（抗拉强度和延 伸率）显著提高。切削性能有所改善，过高会促进合金吸气氧化，是 强化相。 • Sr（锶）变质是其吸附在Si的晶坯上，使晶坯难以成核成大；变质使 共晶体中Si呈细小粒状分布，因而改善了合金的力学性能。Sr是长效 变质剂（6-8小时），以铝锶中间合金（Sr占10％）加入进行变质处理 使合金中的硅以粗大片状组织变为细粒化组织，变质良好时在金相观 察α枝晶网及共晶硅质点小，硅呈细小分布，使合金的机械性能特别 是延伸率得到显著提高。 • Ti（钛）：加Ti以细化剂原子与被细化合金元素原子间的电子交换， 以细化剂原子为基形成动力学上的化合物，即形核初始状态的形成。 少量钛能细化合金晶粒组织，提供结晶核心，过多易聚集长大成渣。 • Fe（铁）：含量高时形成β相（AL9Fe2Si）和AL8FeMg3-Si6相，铁相脆而 硬，以粗大的针状穿过晶粒，大大削弱基体，降低合金抗拉强度和延 伸率，降低流动性，不利充型，降低抗腐蚀性能，但能改善粘模
牌号定义
相近国外牌号 合金牌 合金代 相近国际标 号 号 准牌号 ZALSi7 ZL101A AL（美国） （日本） AC4CH MgA Si7Mg(Fe) A356
国内代号ZL101A：中ZL为铸铝，1为合金类别（1为铝硅系2 为铝铜系3为铝镁系4为铝锌系）。01为合金顺序号，决定化 学成份（Si6.5-7.5Mg0.25-0.45Ti0.08-0.2），A为优质，杂质含 量低。区别于ZAL101其Fe含量小于0.2％，抗拉性能高不形成 大块的铁化合物。 铝硅系合金：为共晶成份。铸造性能良好。很小的结晶温度 间隔（硅凝固潜热很大为393卡/克，铝仅为94卡/克）和较大 比热（约0.2卡/克℃）。线收缩系数也比较小（约为铝的 1/3-1/4）,AL-Si共晶体在其凝固点附近有良好的塑性，因此 有良好的铸造性能。并且所含脆性相硅相数量仅占10％左右 可通过变质处理来进一步提高塑性。
来源：液态铝与O2 N2 S C等元素发生化学反应生成的化合物及混入的其它夹杂物 统称为非金属夹杂物及氧化膜。其中氧化膜（AL2O3）对金属污染为最大。氧 化夹杂物和氢来自铝液和氧及水汽的反应。
金属中的气体主要是氢、氧、氮三种，氢占85％以上，是在金属熔炼和浇 注过程中从外界吸收了气体，在凝固过程中来不及析出而以气孔、针眼形式 存在铸件中。来源主要是水汽，其次是燃料中未充分燃烧的碳氢化合物及燃 料中其它有机物和铝锈。氧和水蒸气是铝的强氧化剂，生成AL2O3及AL2O ALO(次氧化铝)等多种结构变体，大部分氧化物的比重与铝溶体的比重接近， 不易分离排除。铝合金加热过程中表面氧化随温度升高而加剧，生成的AL2O3 致密地覆盖在表面阻止继续氧化，但当温度超过900摄氏度时其致密成度显著 下降，氧化加剧。氢降低流动性，影响气密和机械性能。氢主要以原子状态 溶于铝溶体中，还以分子状态吸附在杂质上，与氧化物密切相关。溶池低部 的氧化夹杂物和含气量高于上部。氧化物由于比重接近铝溶体，其碎片在铝 溶体中处于缓慢上升或下沉状态，易吸附氢难以去除，成多孔状，颗粒较大。 其害处： – 降低合金机械性能，特别是疲劳性能、冲击韧性及延伸率。 – 降低溶体流动性，恶化铸造性能。（570-580℃是氧化物共晶点 表现明显时期，也是补缩时的温度，固态氧化物含量高降低流动 性，影响补缩） – 恶化切消加工性能，使铸件中加工过程中易开裂。 – 在热处理时铸件起泡。 – 造成合金烧损。
• ZL101合金是典型的铝-硅-镁系合金，因含硅量为6.0-8.0％为亚 共晶成分，组织为α+（α+Si）共晶组织。实际上ZL101合金为三 元合金，在形成（AL+Si+Mg2Si）三元元共晶的温度（559℃）时， 硅和镁在α固溶体中都有很大的溶解度。0.2-0.4％的镁都可以溶 入α固溶体中。当温度降低时，溶解度下降，室温时溶解度接近 于零。所以随着温度的下降，会有Mg2Si析出。平衡组织为α固 溶体+（α+Si）共晶体+Mg2Si。如有杂质铁时还有AL4Si2Fe相。在 铸造条件下由于冷却速度大，Mg2Si来有及析出，Mg都溶于α固 溶体中，组织为α固溶体+（α+Si）共晶体的亚共晶组织。经热 处理工艺升到520-530℃使α固溶体中溶入较多的硅、镁，然后 淬火得到过饱和的α固溶体。再经时效处理使过饱和的硅、镁在 较低温度下析出，形成弥散的颗粒状的Mg2Si强化合金。 • 亚共晶铝硅合金熔体处理工艺的交互作用 亚共晶铝硅合金的力学性能取决于其显微组织中初晶α-AL、共 晶Si、二次相金属间化合物及孔隙的形态、大小、与分布。初 晶硅的尺寸、形态及分布起决定作用，其初晶硅晶粒尺寸越细 小，分布越均匀，棱角越钝化，其对基体的割裂作用越小，力 学性能也就越好。细化和变质是改善铝硅合金组织，提高性能 的最常用、有效的工艺手段。 • Sr变质是其吸附在Si的晶坯上，使晶坯难以成核成大；加Ti以细 化剂原子与被细化合金元素原子间的电子交换，以细化剂原子 为基形成动力学上的化合物，即形核初始状态的形成。
熔炼的重要性
• 重要性：铝合金在熔炼过程中极易吸气氧 化，是铸件中缩孔、气孔、夹渣的主要原 因。尤其针孔是由于精炼不良，铝液中气 体、氧化夹杂物含量高，凝固速度慢造成。 良好的铝液应具有 1、化学成份合格，铝液成份均匀。 2、温度控制合适，气体及氧化夹杂物、熔渣 含量少。 3、变质和孕育良好。
氧化物和氢的来源及危害
4AL+3O2=2A2O3
3H2O+2AL=AL2O3+6[H]
可见氧化膜
铝合金液中AL2O3和H2的作用：铝液中一旦含有大量 的AL2O3会使含氢量增加，而且很难除去，当铝液中 AL2O3含量低时，铝液含氢量也低，且AL2O3含量对铝铸 件中气孔的形成有很大影响。铝液中的氢有两种存在状 态：溶解于铝液中（离解成原子态的H）和吸附在氧化 夹杂表面或缝隙中，前者90％以上，后者10％以下。氧 化夹杂越多，则铝液中的含氢量越高，同时是气泡成核 的现成界面，促使铸件中针孔的形成。当AL2O3含量低时 含氢量低，缺乏气泡成核的现成界面，因而消除了铸件 中的针孔。由于AL2O3含量的不同，尽管铝液含氢量相同， 但形成针孔的等级各不相同，有时没有针孔的铸件含氢 量比有针孔的铸件含氢量高。 气于杂上形核长大，被称作“寄生机制”，可以表 述：在铝-杂-H2，由于浓度起伏的存在，形成许多富H2 小区；某些小区直接或经迁移间接地借助杂表的“吸附 窗”为基底寄生形核；形核后造成外层空间H2的浓度梯 度，因平衡扩散的结果，促使气核长成气泡。可以说杂 的存在是铝中气体难以除净的关健的限制因素。因此在 净化工艺设计上必须本着除气必排杂。－详见参考资料
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表面张力：作用在液体表面，并力图使表面自动收缩的力。与本身性质(对液 态金属主要是成份和温度)、接触相的性质有关。是液态金属的重要物理特性 之一。影响润湿、毛细、内吸附等现象的发生。 润湿：液体在固体或液体表面铺展的性质。如接触面有扩大的趋势称润湿。 如液体成球形，在固体或液体表面不能铺开，接触面有收缩趋势称不润湿。 润湿角小于90度表示能润湿。 晶体:物质内部结构中的质点（原子、离子或分子）按一定规则次序排列的固 体叫晶体。特点：规则的外形，固定的熔点，各向异性。实际晶体由于结晶 及其它加条件的影响，使得所得到的晶体在内部结构上产生很多缺陷，称真 实晶体。 相：合金中具有同一化学成份、同一聚集状态并以界面互相分开的各个均匀 的组成部分。合金中所有的相可分为固溶体和金属化合物两大类。 组员：组员合金的元素（或稳定化合物）称为组员。 金属化合物：是合金中组元相互化合而形成的特殊物质，又称中间相。特点： 其晶格成各组元的晶格不同，具有较高的硬度和较大的脆性。可使合金的硬 度、强度提高，韧性下降，因此合金中化合物出现的数量与分布对合金性能 将产生很大影响。 结晶：物质由液体状态转变为晶体状态物过程叫结晶。 过冷：液体冷却到平衡结晶温度以下某一温度才开始有效结晶的现象叫过冷。 而该温度（实际结晶温度）与平衡结晶温度之差称为过冷度。其大小影响结 晶后晶粒的大小。（决定晶核生成数目和晶核长大速度，当过冷度很大时， 生核数目很大，晶核生长不充分，得到了细小致密的晶体。） 自发成核：只依靠液态金属本身在一定过冷度条件下形成晶核。 非自发成核:依附于固态质点表面而形成晶核的过程（在晶体结构上与结晶金 属相近的杂质，称活性杂质如铝合金中的TiAL3;称活化了的某些难溶杂质；结 晶金属本身被离散的树枝晶尖端或未溶的晶格残余物，称固有晶核；在实际 生产中故意制造人工晶核以细化组织为变质处理。
A356.2合金液态特点
• 在微观上是由成份和结构不同的游动的原 子集团、空穴和许多固态、气态或液态的 化合物组成的一种“浑浊”的液体。在高 温下易吸气氧化。生成高溶点（2050℃） 的AL2O3,氧化膜，密度略大于铝。成固态夹 杂物悬浮在铝液中很难排除，恶化铸造性 能和力学性能。铝液在高温下易吸气在低 温时被覆盖在表面的致密AL2O3薄膜阻碍而 不易排出形成针孔，影响铸件致密性和力 学性能。
铝硅二元合金状态图
• 铝硅二元相图（状态图）：共晶温度为577℃， 共晶点的硅含量为12.6％，α相是硅溶于铝形 成的固溶体，在共晶温度时硅的溶解度最大， 可达1.65％，而在室温只有0.05％，β相是铝溶 于硅形成的固溶体。由于β相中含铝极少，所 以可用Si来表示。β相是硬而脆的相。由状态 图可知铝硅二元合金的室温组织是α固溶体和 硅。共晶成分铝硅合金铸态组织是α固溶体和 粗大针状硅构成的共晶组织。亚共晶成分铝硅 合金的铸态组织为树枝状α固溶体+共晶组织。 过共晶成分铝硅合金的铸态组织中有粗大的初 晶硅和多角形的初晶硅。组织中有粗大的初晶 硅或粗大的针条状的共晶硅，都使铝硅合金的 机械性能下降，特别是对塑性的影响更为显著。 变质处理使共晶点向右下方移动，共晶温度由 577℃降到564℃，共晶点含硅量由12.6％增加 到14％左右。从而使变质前后的组织差别很大。