铸造铝合金及其金相分析
时间：2023-02-15 14:55:08 来源：千叶帆 本文已影响人
文/姚巍
铸造铝合金的合金元素含量较高（8wt%～25wt%），并含有足够的硅以保证铸造性能。铸造铝合金的组织、性能主要与其成分相关，同时还与铸造工艺和热处理规范有关。
常用Al-Si 系铝合金中硅含量约为5wt%～13wt%，属于亚共晶和共晶型合金。其中包括简单A1-Si 二元铝合金以及在A1-Si 二元合金中再加入Cu、Mg、Mn、Ni 和Zn 等合金元素形成复杂三元、四元等合金。为适应更高的耐磨、耐腐蚀要求，还发展了过共晶的A1-Si 系合金。
1、铸造铝合金变质处理及评级
由Al-Si 合金相图可知，Al 与Si 不形成化合物而形成共晶体。室温时溶解度小于0.01 wt%。故室温时α(Al）相为Si 溶于Al 中的固溶体，其性能相当Al。β相是Al 溶于Si 的固溶体，其溶解度极微，故可看作为纯Si。Al-Si 系合金在铸造的缓慢结晶时，会出现紊乱分布的粗片状、针状共晶硅，还可能出现块状和不规则初晶硅，这必然使铝合金的力学性能恶化。生产上用钠（盐）或磷（盐）来进行变质处理，以细化和改变共晶硅的形态，可改善或消除粗大共晶硅的有害作用，有时可使抗拉强度提高50%，伸长率增加5 倍。钠（盐）的加入，使原共晶、过共晶的Al-Si 合金处于亚共晶范围；
同时共晶温度下降，过冷度增大，使铸态组织中块状初晶硅消失，粗条片状共晶硅细化。磷（盐）的加入，共晶或过共晶成分的Al-Si合金中，磷和铝形成熔点高达1000℃以上的化合物AlP。由于AlP 质点和Si 的晶型相同，晶格常数相近，因而AlP可作为Si 结晶时的异质晶核，促进初晶硅形成。凝固后组织为α(Al）+细小杆状Si，组成的共晶及分布均匀的小块初晶硅。
对于铸造铝合金的变质后质量可按TB/T79461-1999《铸造铝合金金相、铸造铝合金变质》标准进行评定。
铸造Al-Si 系合金钠变质后显微组织分级说明（JB/T79461-1999）如下：
①未变质：共晶硅为长针状，分布无规律，可有α枝晶或少量块状初晶硅。图（a）
②变质不足：α 枝晶与共晶体分布均匀，部分共晶硅为短杆状、部分为针状。
③变质正常：α 枝晶与共晶体分布均匀，共晶硅为点状或蠕虫状。图（b）
④变质衰退：α 枝晶与共晶体分布不够均匀，共晶硅变粗，部分为短杆状，部分为针状。图（c）
⑤轻度过变质：α 枝晶与共晶体分布基本均匀，但在一些共晶体中出现线性的α 带。
⑥严重过变质：α 枝晶与共晶体分布很不均匀，出现粗过变质带（细密共晶体中出现波浪状分布的α 带，带中有许多粗大的共晶硅）。图（d）
2、Al-Si 二元合金及其金相分析
Al-Si 二元合金的代表性牌号为ZL102(ZAlSi12），它含有10.0wt%～13.0wt%的Si，余量为Al；
主要杂质Fe，砂型铸造时不大于0.7wt%。ZL102 合金在凝固后铸态下的相组成有α(Al）、Si、β(Al9Fe2Si2），有时还有α(Al12Fe3Si）相，当有Mn 存在时，可能出AlFeMnSi 相。
α(Al12Fe3Si）和β(Al9Fe2Si2）是两种不同的Al-Fe-Si三元化合物，可以根据其形状、成分、结构和对浸蚀剂的不同反应加以区别。一般以共晶形式结晶的α(Al12Fe3Si）相为骨骼状，而β(Al9Fe2Si2）相为片状或针状。但是这两种相在不同文献中标记不同，如α(Al12Fe3Si）相也有Al12Fe3Si2、Al8FeSi2、α(Al-Fe-Si）、Al15Fe6Si5等；
而β(Al9Fe2Si2）相也有称为β(Fe-Si）、β(Al-Fe-Si）、Al5FeSi 等，这可能是由于实验方法的不同或这些化合物本身成分的可变性所造成。
3、Al-Si-Mg 合金及其金相分析
Al-Si-Mg 三元合金是在Al-Si 系二元合金的基础上适当降低Si 含量而同时加入少量Mg 而成。加入Mg 可形成Mg2Si 相，能显著提高合金的时效强化能力，提高力学性能。
典型的Al-Si-Mg 三元合金是ZL101(ZAlSi7Mg），为改善杂质Fe 的有害影响，以添加少量Mn，并增加Si 含量则形成 ZL104(ZAlSi9Mg）合金。
ZL101 及ZL104 合金铸造及热处理后的相组成如下：
①合金牌号：ZL101
铸态 为：α(Al）、Si、Mg2Si、β(Al9Fe2Si2）、α(Al12Fe3Si）、Al8FeMg3Si6等。
热处理后为：Mg2Si 溶入 α(Al）后沉淀。
②合金牌号：ZL104
铸态 为：α(Al）、Si、Mg2Si、β(Al9Fe2Si2）、AlFeMnSi 等。
热处理后为：Mg2Si 溶入α(Al）后沉淀。
注：铁相会因Fe 含量不同不一定出现。
从这两个合金的金相分析中看出，以二元共晶形成的Si、Mg2Si、AlFeMnSi 相是较粗大的，但在三元共晶中，这些相都比较细小而分散，共晶组织往往成为圆球状。
在ZL101 合金中，特别是ZL104 合金中含Mg 量较低，Mg2Si 相数量很少，而且较细，通常在金相观察时不易发现，只有当Mg 含量偏高或偏析时，才能看到较多Mg2Si 相。
ZL104 合金含Si 量较高，浇注砂型零件前需要进行变质处理。变质处理不但使共晶体中的Si 变细，也使得与Si 同时结晶的其他共晶相变细，即使放大倍数较高，也不易分辨其形貌。
由于A1-Si-Mg 合金中Mg2Si 相在固溶和时效处理过程中具有明显的沉淀硬化作用，因此ZL101、ZL104 一般均在T6 状态下使用。
4、Al-Si-Cu 合金及其金相分析
Cu 在α(Al）的溶解度比Mg 大，对Al-Si 系合金有相同的强化效应。Al-Si-Cu 合金耐热性能比Al-Si-Mg 好，热处理后强度高，而且铸造性能和加工性能都较好，广泛用于压铸件生产。
ZL107(ZAlSi7Cu4）铝合金及日本的ADC12牌号压铸铝合金均是典型的Al-Si-Cu 合金，ZL107 含有6.5wt%～7.5wt%的Si，3.5wt%～4.5wt%的Cu。
5、Al-Si-Mg-Cu 合金及其金相分析
在Al-Si 系二元铝合金中，同时加入Cu、Mg 来改变合金组织和力学性能。铝合金的组织随着加入不同合金元素和数量而异，其强化效果也随之改变。当合金中有Al2Cu 相和W(AlxCu4Mg5Si4）相存在时，不仅使合金强化效果更为显著，而且能进一步提高铝合金的室温和高温力学性能，同时改善了合金的加工性能和表面粗糙度。
ZL105、Z106、Z108、Z110、Z111 以及ADC14 等合金同属于 Al-Si-Mg-Cu 系合金。
部分Al-Si-Mg-Cu 合金主要组成相如下（其中铁相因Fe 含量不同不一定出现）：
①合金代号ZL105
铸态主要组成相：α(Al）、Si、Al2Cu、Mg2Si、β（Al9Fe2Si2）、W(AlXCu4Mg5Si4）、Al8FeMg3Si6
热处理加热后变化：Al2Cu、Mg2Si 可溶入α(Al）中，W 相部分溶解
②合金代号ZL106、ZL108
铸态主要组成相：α(Al）、Si、Al2Cu、Mg2Si、AlFeMnSi
热处理加热后变化：Al2Cu、Mg2Si 可溶入α(Al）中
③合金代号ZL110
铸态主要组成相：α(Al）、Si、Al2Cu、Mg2Si、β(Al9Fe2Si2）、N(Al7Cu2Fe）
热处理加热后变化：Al2Cu、Mg2Si 可溶入α(Al）中
③合金代号ZL111
铸态主要组成相：α(Al）、Si、Al2Cu、Mg2Si、W(AlxCu4Mg5Si4）、Al8FeMg3Si6Al3Ti、AlFeMnSi
热处理加热后变化：Al2Cu、Mg2Si 可溶入α(Al）相，W 相部分溶解
另外，对共晶型Al-Si-Cu-Mg 系合金，还可能出现初生硅。
Al-Cu 系铸造合金中含Cu 量在3wt%～11wt%范围内，根据Al-Cu 二元相图可知其主要强化相为Al2Cu，并可通过热处理强化。在室温和高温下具有高的强度和热稳定性而且具有良好的机械加工等工艺性能。该系合金主要缺点是铸造性能低于Al-Si 合金，抗蚀性差，气密性低、密度及热裂倾向大、耐蚀性能差。为改善这些缺点，在Al-Cu 二元合金基础上可添加Mn 和各种微量元素形成Al-Cu-Mn 合金系。
1、Al-Cu 二元合金及其金相分析
Al-Cu 二元合金的典型牌号为ZL203(ZAlCu4，Cu:4.0wt%～5.0w t%）
和ZL202(ZAlCu10，Cu:9.0wt%～11.0wt%）。
对于含Cu 低于5.7 wt%的ZL203 合金，按Al-Cu 二元相可知，平衡态结晶时，在固相线以下溶解度曲线以上温度区间为单相α(Al）固溶体。在温度降低到溶解度曲线以下时，从α(Al）中析出A12Cu 相。
合金中有杂质Fe 时，还会有针状N(Al7Cu2Fe）分布于晶界。不平衡结晶时还可能出现Al3Fe 相。
图（a）为ZL203(Si:2.0wt%）的铸态组织：α(Al）+Q(Al2Cu）+Si 共晶体，其中灰色片状和骨骼状为Si 相，白色为Q(Al2Cu），少量N(Al7Cu2Fe）和β(Al9Fe2Si2）因细小难以分辨。相同合金经T4 处理后组织为：α(Al）+灰色颗粒Si 相+黑色针状N(Al7Cu2Fe）相+少量未溶的白色片状Q(Al2Cu），见图（b）。
2、Al-Cu-Mn 合金及其金相分析
在Al-Cu 系二元合金的基础上，添加少量的Mn 和各种微量元素形成Al-Cu-Mn 系铝合金（ZL201，ZL204，ZL205，ZL207），Mn 可溶入α(Al）强化基体，并可形成T(Al12Mn2Cu）相。固溶在α(Al）中的Mn 能使固溶体点阵电子重新分配，可显著地增加原子间的结合力，改善了Al-Cu 合金的耐热性，也可改善铸件的热裂倾向。
当淬火加热时，θ(Al2Cu）可溶入α(Al）中，淬火后形成过饱和固溶体，起固溶强化作用。含Mn、Cu的过饱和α(Al）固溶体分解，析出大量细小而弥散的T(Al12CuMn2）相质点，弥散强化，提高合金室温和高温强度。
Al-Cu-Mn 系部分合金铸态可能出现得相：
①合金代号ZL201
铸态可能出现相：α(Al）、θ(Al2Cu）、T(Al12CuMn2）、Al6Mn、Al3Ti
杂质含量高时可能出现相：N(Al7Cu2Fe）、Al6(CuMnFe）、Al10Mn2Si 和AlFeMnSi
②合金代号ZL205
铸态可能出现相：α(Al）、θ(Al2Cu）、T(Al12CuMn2）、Cd、Al3Ti、Al3Zr、Al7V(ZL205A 合金还有TiB2相）
杂质含量高时可能出现相：N(Al7Cu2Fe）
当以Mg 为主要强化元素时，即组成Al-Mg 系铸造合金，在GB/T1173 中该合金系有三种牌号：ZL301、ZL303、ZL305。
以下为Al-Mg 系铝合金主要合金成分 (wt%）
ZL301 合金Mg：9.5～11.0
ZL303 合金Si ：0.8～1.3；
Mg4.5～5.5；
Mn0.1～0.4
ZL305 合金Mg：7.5～9.0 ；
Zn：1.0～1.5；
Ti：1.0～0.2；
Be:0.03～0.1
1、Al-Mg 二元合金及其金相分析
铸造状态下ZL301 合金组织中存在的相有：α(Al）、β(AlMg2），当有杂质Si、Fe等时会出现Mg2Si、Al3Fe和Al3Ti等有害杂质相。
淬火加热时，β(Al8Mg5）相可溶入α(Al）固溶体中。在高Mg 合金中，淬火加热时Mg2Si 相不能完全溶解，淬火后由于 Mg2Si 和Al2Fe 相存在，合金塑性较低。
2、Al-Mg-Si 三元合金及其金相分析
ZL303 是典型的Al-Mg-Si 三元合金，ZL303 合金铸态下的相组成主要有：α(Al）、Mg2Si 和AlMgMnSi 相等，当有一定量的杂质时，会出现上述一些杂质相。
该合金一般不采用热处理强化，仅做去应力退火后直接在铸态下使用。
猜你喜欢 共晶杂质变质 屈服强度231MPa、伸长率4.3%的新型高压压铸铝合金铝加工(2022年1期)2022-11-24Ti掺杂及冷却速率对共晶铝硅合金组织结构的影响①佳木斯大学学报（自然科学版）(2022年3期)2022-06-27HPLC法测定盐酸伐地那非的杂质含量中国药学药品知识仓库(2022年8期)2022-05-09CL-20共晶含能材料计算模拟及实验制备研究进展兵器装备工程学报(2022年3期)2022-04-08氢氧化钠变质的探究初中生学习指导·中考版(2021年2期)2021-09-10CL-20/RDX共晶炸药的制备与性能测试火炸药学报(2021年4期)2021-09-06变质作文大王·低年级(2020年2期)2020-03-13二则领导文萃(2017年6期)2017-03-24在细节处生出智慧之花中学生数理化·高一版(2016年7期)2016-12-07神秘的信红领巾·萌芽(2016年6期)2016-05-14 相关热词搜索：金相，铝合金，铸造，
