鑄造鋁合金及其金相分析

2022-10-26 02:13:30姚巍

資源再生 2022年8期

文/姚巍

鑄造鋁合金的合金元素含量較高（8wt%～25wt%），并含有足夠的硅以保證鑄造性能。鑄造鋁合金的組織、性能主要與其成分相關，同時還與鑄造工藝和熱處理規范有關。

一、Al-Si 系鑄造鋁合金及其金相分析

常用Al-Si 系鋁合金中硅含量約為5wt%～13wt%，屬于亞共晶和共晶型合金。其中包括簡單A1-Si 二元鋁合金以及在A1-Si 二元合金中再加入Cu、Mg、Mn、Ni 和Zn 等合金元素形成復雜三元、四元等合金。為適應更高的耐磨、耐腐蝕要求，還發展了過共晶的A1-Si 系合金。

1、鑄造鋁合金變質處理及評級

由Al-Si 合金相圖可知，Al 與Si 不形成化合物而形成共晶體。室溫時溶解度小于0.01 wt%。故室溫時α(Al）相為Si 溶于Al 中的固溶體，其性能相當Al。β相是Al 溶于Si 的固溶體，其溶解度極微，故可看作為純Si。Al-Si 系合金在鑄造的緩慢結晶時，會出現紊亂分布的粗片狀、針狀共晶硅，還可能出現塊狀和不規則初晶硅，這必然使鋁合金的力學性能惡化。生產上用鈉（鹽）或磷（鹽）來進行變質處理，以細化和改變共晶硅的形態，可改善或消除粗大共晶硅的有害作用，有時可使抗拉強度提高50%，伸長率增加5 倍。鈉（鹽）的加入，使原共晶、過共晶的Al-Si 合金處于亞共晶范圍；同時共晶溫度下降，過冷度增大，使鑄態組織中塊狀初晶硅消失，粗條片狀共晶硅細化。磷（鹽）的加入，共晶或過共晶成分的Al-Si合金中，磷和鋁形成熔點高達1000℃以上的化合物AlP。由于AlP 質點和Si 的晶型相同，晶格常數相近，因而AlP可作為Si 結晶時的異質晶核，促進初晶硅形成。凝固后組織為α(Al）+細小桿狀Si，組成的共晶及分布均勻的小塊初晶硅。

對于鑄造鋁合金的變質后質量可按TB/T79461-1999《鑄造鋁合金金相、鑄造鋁合金變質》標準進行評定。

鑄造Al-Si 系合金鈉變質后顯微組織分級說明（JB/T79461-1999）如下：

①未變質：共晶硅為長針狀，分布無規律，可有α枝晶或少量塊狀初晶硅。圖（a）

②變質不足：α 枝晶與共晶體分布均勻，部分共晶硅為短桿狀、部分為針狀。

③變質正常：α 枝晶與共晶體分布均勻，共晶硅為點狀或蠕蟲狀。圖（b）

④變質衰退：α 枝晶與共晶體分布不夠均勻，共晶硅變粗，部分為短桿狀，部分為針狀。圖（c）

⑤輕度過變質：α 枝晶與共晶體分布基本均勻，但在一些共晶體中出現線性的α 帶。

⑥嚴重過變質：α 枝晶與共晶體分布很不均勻，出現粗過變質帶（細密共晶體中出現波浪狀分布的α 帶，帶中有許多粗大的共晶硅）。圖（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號為ZL102(ZAlSi12），它含有10.0wt%～13.0wt%的Si，余量為Al；主要雜質Fe，砂型鑄造時不大于0.7wt%。ZL102 合金在凝固后鑄態下的相組成有α(Al）、Si、β(Al9Fe2Si2），有時還有α(Al12Fe3Si）相，當有Mn 存在時，可能出AlFeMnSi 相。

α(Al12Fe3Si）和β(Al9Fe2Si2）是兩種不同的Al-Fe-Si三元化合物，可以根據其形狀、成分、結構和對浸蝕劑的不同反應加以區別。一般以共晶形式結晶的α(Al12Fe3Si）相為骨骼狀，而β(Al9Fe2Si2）相為片狀或針狀。但是這兩種相在不同文獻中標記不同，如α(Al12Fe3Si）相也有Al12Fe3Si2、Al8FeSi2、α(Al-Fe-Si）、Al15Fe6Si5等；而β(Al9Fe2Si2）相也有稱為β(Fe-Si）、β(Al-Fe-Si）、Al5FeSi 等，這可能是由于實驗方法的不同或這些化合物本身成分的可變性所造成。

3、Al-Si-Mg 合金及其金相分析

Al-Si-Mg 三元合金是在Al-Si 系二元合金的基礎上適當降低Si 含量而同時加入少量Mg 而成。加入Mg 可形成Mg2Si 相，能顯著提高合金的時效強化能力，提高力學性能。

典型的Al-Si-Mg 三元合金是ZL101(ZAlSi7Mg），為改善雜質Fe 的有害影響，以添加少量Mn，并增加Si 含量則形成 ZL104(ZAlSi9Mg）合金。

ZL101 及ZL104 合金鑄造及熱處理后的相組成如下：

①合金牌號：ZL101

鑄態為：α(Al）、Si、Mg2Si、β(Al9Fe2Si2）、α(Al12Fe3Si）、Al8FeMg3Si6等。

熱處理后為：Mg2Si 溶入 α(Al）后沉淀。

②合金牌號：ZL104

鑄態為：α(Al）、Si、Mg2Si、β(Al9Fe2Si2）、AlFeMnSi 等。

熱處理后為：Mg2Si 溶入α(Al）后沉淀。

注：鐵相會因Fe 含量不同不一定出現。

從這兩個合金的金相分析中看出，以二元共晶形成的Si、Mg2Si、AlFeMnSi 相是較粗大的，但在三元共晶中，這些相都比較細小而分散，共晶組織往往成為圓球狀。

在ZL101 合金中，特別是ZL104 合金中含Mg 量較低，Mg2Si 相數量很少，而且較細，通常在金相觀察時不易發現，只有當Mg 含量偏高或偏析時，才能看到較多Mg2Si 相。

ZL104 合金含Si 量較高，澆注砂型零件前需要進行變質處理。變質處理不但使共晶體中的Si 變細，也使得與Si 同時結晶的其他共晶相變細，即使放大倍數較高，也不易分辨其形貌。

由于A1-Si-Mg 合金中Mg2Si 相在固溶和時效處理過程中具有明顯的沉淀硬化作用，因此ZL101、ZL104 一般均在T6 狀態下使用。

4、Al-Si-Cu 合金及其金相分析

Cu 在α(Al）的溶解度比Mg 大，對Al-Si 系合金有相同的強化效應。Al-Si-Cu 合金耐熱性能比Al-Si-Mg 好，熱處理后強度高，而且鑄造性能和加工性能都較好，廣泛用于壓鑄件生產。

ZL107(ZAlSi7Cu4）鋁合金及日本的ADC12牌號壓鑄鋁合金均是典型的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 系二元鋁合金中，同時加入Cu、Mg 來改變合金組織和力學性能。鋁合金的組織隨著加入不同合金元素和數量而異，其強化效果也隨之改變。當合金中有Al2Cu 相和W(AlxCu4Mg5Si4）相存在時，不僅使合金強化效果更為顯著，而且能進一步提高鋁合金的室溫和高溫力學性能，同時改善了合金的加工性能和表面粗糙度。

ZL105、Z106、Z108、Z110、Z111 以及ADC14 等合金同屬于 Al-Si-Mg-Cu 系合金。

部分Al-Si-Mg-Cu 合金主要組成相如下（其中鐵相因Fe 含量不同不一定出現）：

①合金代號ZL105

鑄態主要組成相：α(Al）、Si、Al2Cu、Mg2Si、β（Al9Fe2Si2）、W(AlXCu4Mg5Si4）、Al8FeMg3Si6

熱處理加熱后變化：Al2Cu、Mg2Si 可溶入α(Al）中，W 相部分溶解

②合金代號ZL106、ZL108

鑄態主要組成相：α(Al）、Si、Al2Cu、Mg2Si、AlFeMnSi

熱處理加熱后變化：Al2Cu、Mg2Si 可溶入α(Al）中

③合金代號ZL110

鑄態主要組成相：α(Al）、Si、Al2Cu、Mg2Si、β(Al9Fe2Si2）、N(Al7Cu2Fe）

熱處理加熱后變化：Al2Cu、Mg2Si 可溶入α(Al）中

③合金代號ZL111

鑄態主要組成相：α(Al）、Si、Al2Cu、Mg2Si、W(AlxCu4Mg5Si4）、Al8FeMg3Si6Al3Ti、AlFeMnSi

熱處理加熱后變化：Al2Cu、Mg2Si 可溶入α(Al）相，W 相部分溶解

另外，對共晶型Al-Si-Cu-Mg 系合金，還可能出現初生硅。

二、Al-Cu 系鑄造鋁合金及其金相分析

Al-Cu 系鑄造合金中含Cu 量在3wt%～11wt%范圍內，根據Al-Cu 二元相圖可知其主要強化相為Al2Cu，并可通過熱處理強化。在室溫和高溫下具有高的強度和熱穩定性而且具有良好的機械加工等工藝性能。該系合金主要缺點是鑄造性能低于Al-Si 合金，抗蝕性差，氣密性低、密度及熱裂傾向大、耐蝕性能差。為改善這些缺點，在Al-Cu 二元合金基礎上可添加Mn 和各種微量元素形成Al-Cu-Mn 合金系。

1、Al-Cu 二元合金及其金相分析

Al-Cu 二元合金的典型牌號為ZL203(ZAlCu4，Cu:4.0wt%～5.0w t%）

和ZL202(ZAlCu10，Cu:9.0wt%～11.0wt%）。

對于含Cu 低于5.7 wt%的ZL203 合金，按Al-Cu 二元相可知，平衡態結晶時，在固相線以下溶解度曲線以上溫度區間為單相α(Al）固溶體。在溫度降低到溶解度曲線以下時，從α(Al）中析出A12Cu 相。

合金中有雜質Fe 時，還會有針狀N(Al7Cu2Fe）分布于晶界。不平衡結晶時還可能出現Al3Fe 相。

圖（a）為ZL203(Si:2.0wt%）的鑄態組織：α(Al）+Q(Al2Cu）+Si 共晶體，其中灰色片狀和骨骼狀為Si 相，白色為Q(Al2Cu），少量N(Al7Cu2Fe）和β(Al9Fe2Si2）因細小難以分辨。相同合金經T4 處理后組織為：α(Al）+灰色顆粒Si 相+黑色針狀N(Al7Cu2Fe）相+少量未溶的白色片狀Q(Al2Cu），見圖（b）。

2、Al-Cu-Mn 合金及其金相分析

在Al-Cu 系二元合金的基礎上，添加少量的Mn 和各種微量元素形成Al-Cu-Mn 系鋁合金（ZL201，ZL204，ZL205，ZL207），Mn 可溶入α(Al）強化基體，并可形成T(Al12Mn2Cu）相。固溶在α(Al）中的Mn 能使固溶體點陣電子重新分配，可顯著地增加原子間的結合力，改善了Al-Cu 合金的耐熱性，也可改善鑄件的熱裂傾向。

當淬火加熱時，θ(Al2Cu）可溶入α(Al）中，淬火后形成過飽和固溶體，起固溶強化作用。含Mn、Cu的過飽和α(Al）固溶體分解，析出大量細小而彌散的T(Al12CuMn2）相質點，彌散強化，提高合金室溫和高溫強度。

Al-Cu-Mn 系部分合金鑄態可能出現得相：

①合金代號ZL201

鑄態可能出現相：α(Al）、θ(Al2Cu）、T(Al12CuMn2）、Al6Mn、Al3Ti

雜質含量高時可能出現相：N(Al7Cu2Fe）、Al6(CuMnFe）、Al10Mn2Si 和AlFeMnSi

②合金代號ZL205

鑄態可能出現相：α(Al）、θ(Al2Cu）、T(Al12CuMn2）、Cd、Al3Ti、Al3Zr、Al7V(ZL205A 合金還有TiB2相）

雜質含量高時可能出現相：N(Al7Cu2Fe）