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压铸铝合金中合金元素的作用及应用

作者: 发布时间:2020-02-04 09:15:05 阅读: 45 次

摘要:介绍压铸铝合金中含有的主要元素各自的作用,以及由此产生的应用,并简要分析说明其中的机理。

关键词:压铸铝合金;铝硅合金;铝铜合金;铝镁合金;铝锌合金


引言

压力铸造是在高压作用下,使液态或半液态金属以较高的速度填充压铸型型腔,并在压力下成型和凝固而获得铸件的方法。在现今铸造方法中,压力铸造是技术含量较高的先进铸造方法之一,因为其工艺方面比较有优势,所以生产的产品有产品质量好、生产效率高、经济效果优良等优势,从而被广泛应用于电子通讯工业、建筑工程、机械装备仪表以及汽车工业,有色金属合金压铸件特别是轻合金占到总量一半以上。压铸合金主要有镁合金、锌合金、铜合金、铝合金等,其中使用最为广泛的是铝合金。铝合金的导热性好、耐腐蚀性好、比强度大、密度小、综合性能好。大部分铝合金在浓硝酸、汽油、淡水及各种有机物中都有比较好的耐腐蚀性,无论是在高温环境还是低温环境下工作,都能保持良好的力学性能。此外,铝合金线收缩相对较小,具有很好的填充性能。


1.压铸铝合金中的合金元素及其作用

纯铝的抗拉强度较低,塑性较高,不适合直接进行锻造。为了提升锻造性能,扩宽应用领域,可以在纯铝中加入一些其它的元素来改善其性能。铸造铝合金中合金元素的加入就可以很好的改善铝合金的铸造性能和力学性能。这些合金元素主要有Cu、Si、 Mg 、Zn、Mn 、Fe、 Ni 、Ti等。

1.1铜(Cu)

在铝合金中加入铜后可以增强铝合金的抗腐蚀性及机械强度。铝铜合金的延展性很好,因为其具有是面心立方的晶体结构。同时由于电子的结构比较松散,这使得这类合金的导电导热性较好。铝铜合金中铜的含量一般控制在4%~11%之间,主要强化相是CuAl2,在室温和高温下的力学性能都比较好。铜加入到铝硅合金中后,组织中会出现Si相、CuAl2和α固溶体。α相分别与CuAl2和Si构成两相共晶体,同时这三个相可共同构成三相共晶体,其共晶温度为524℃,当铜作为强化相固溶于铝基体中或以颗粒状化合物形式存在时,铝合金的强度和硬度可以得到显著提高,但会降低伸长率;当铜形成的化合物成网状时,铝合金的伸长率和强度都会大幅度降低。随着铜的加入,铝合金的弹性模量会成比例增加,铜的加入可提高铝合金的硬度和高温力学性能,铜的固溶还可以提高铝合金的抗疲劳强度。但是铜的化学电极电位比铝的高,易导致晶间腐蚀和应力腐蚀,降低了铝合金的耐蚀性,尤其是铜以化合物形式存在时,其耐蚀性更差。在Al-Si-Cu系合金中铜的含量控制在1~4%,而在其他铝合金中则作为杂质元素。

1.2硅(Si)

硅能改善合金的铸造性能,是大多数压铸铝合金的主要元素。硅与铝能组成固溶体。在577℃时,硅在铝中的溶解度为1.65%,室温时降为0.2%。含硅量至12.5%时,硅与铝可以形成共晶体。当Si≤12.5%时,随着增加Si的含量,结晶温度区间会变窄,合金流动性得到提高。由于Si的凝固潜热比Al高,所以铝合金的流动性会因为Si的加入得到大大改善。Si晶粒具有较高的硬度且化学稳定性好,使铝合金具有更高的耐磨性和耐蚀性。Si的线膨胀系数为Al的1/3到1/4,因此加入Si可降低铝合金的热膨胀系数。当Si的含量增加到25%时,可使铝合金凝固时的体收缩率降低为0,这一特点被广泛应用于活塞等要求尺寸稳定性好的铝合金铸件中。

1.3镁(Mg)

首先,镁的加入可以增加铝镁合金的耐腐蚀性,因为它在淬火态下是单相,即使存在Mg2Si相,其在电化学腐蚀中也会被腐蚀完,表面形成单相α。其次,含镁铝合金可以增强合金的强度,因为铝硅合金中加入少量镁可以形成Mg2Si相。淬火时,Mg2Si溶入α固溶体中可以使α固溶体的结晶点阵发生畸变,从而强化合金。镁可以提高铝合金的耐蚀性和强度,粘膜的倾向相应减少,使得压铸件表面光滑,电镀性得以改善;但也可以使合金产生硬化和脆性,降低伸长率,增大热烈的倾向。

1.4锌(Zn)

锌在铝合金中的加入可以提高合金的流动性,但同时会增加热脆性和降低耐蚀性,所以要控制锌的含量使其能更优化合金的性能。而对于含锌量很高的ZL401铝合金,其具有较好的机械性能,方便铸造,也易于切削加工。

1.5锰(Mn)

    锰在铝合金中作用是减少铁产生的有害影响,它可以使铝合金中由铁形成的片状或针状组织变为细密的晶体组织。所以一般铝合金中可以有0.5%以下的锰存在。但当含锰量过高时,会引起偏析,所以也要控制其含量。

1.6铁(Fe)

    在所有铝合金中都会含有害杂质。当铝合金中含铁量太高时,铁可以以片状或针状组织存在于合金中,结果会降低合金的机械性能和流动性能,热裂性增大。但由于铝合金易于粘附在模具上,特别是当含铁量在0.6%以下时这种情况更为严重。但当铁含量超过0.6%后,粘膜现象可以得到有效的遏制,所以为了提高压铸性能,可以控制含铁量在0.6~1%范围内,但更高不能超过1.5%。

1.7 镍(Ni)

    镍加入铝合金中后对合金提高强度和硬度,降低耐蚀性有很大的帮助。镍能够减少合金对模具的伤害,这一点跟铁有点类似,但是镍能够缓减合金中由于铁产生的有害影响,提高合金的焊接性能。当把镍含量控制在1~1.5%范围内时,经抛光后得铸件能获得光洁的表面。但由于镍的来源缺乏,出于资金和环境等方面的考虑,应尽量少使用含镍的铝合金。

1.8 钛(Ti)

    在铝合金中加入微量的钛,可以铝合金的晶粒组织得到细化,从而提高合金的机械性能,降低合金的热裂倾向。


2. 压铸铝合金的应用

当今的汽车工业是往重量更轻和绿色环保方向发展的,由压铸铝合金制造的汽车零部件可以加速这个方向的发展。重量更轻就是要节约能源、减少污染物的排放和运行更经济,它是绿色化的前提条件之一。在燃料经济性中,汽车重量起着决定性的作用。随着汽车重量减轻,在相同行驶路程情况下,所耗油量比以前低,相应污染物排放量也随之减少。此外,铝合金汽车零部件还具有良好的耐腐蚀性和再生率高等优点。目前,铝合金压铸工艺在汽车工业中得到越来越广泛的应用。

铸造铝合金按照主要加入元素含量的不同可以分为主要的四类:铝硅系,铝铜系,铝镁系和铝锌系。

2.1铝硅合金的应用

铝硅合金的铸造性能比较好,但由于其本身密度小,所以适合于铸造的对象主要是强度要求不高的壳体、箱体等。但当加入合适量的镁、锰、铜或镍,使铝硅合金在保持原有可铸造性的同时又具有了足够的强度、耐热性,主要应用在铸造气缸体、发动机活塞等。比如AlSiMg合金铸成的结构非常复杂的滤波器腔体,牌号A356.0- T6,A357.0-T6可用于铸造飞机上关键部件。

2.2铝铜合金的应用

铝铜合金相对其他铝合金可以进行热处理,并且是铝合金中耐热性更高的一种。可以应用在在宇航工业中需要高强度合金的结构中,由于具有高韧度,其也可应用在加工机床结构和飞机结构中的高应力部件。206.0具有较高的抗拉强度和屈服强度,中等的伸长率,好的高温强度和切削加工性能,满意的焊补性能,铸造性能较差,T6状态时有应力腐蚀倾向,主要用于汽车航空上的齿轮箱、气缸头、叶轮等。230.0则是在200℃时强度更高的铸造铝合金,本身有着良好的耐磨性,低的摩擦系数因而可以用在发动机活塞头、整体发动机座和轴承。

2.3铝镁合金的应用

铝镁合金的凝固范围由于镁的加入而得到加大,降低了合金的铸造性能。但是该铝合金具有良好的抛光性、耐蚀性和切削性能,对压铸件可进行阳极氧化处理。其主要应用在钻井平台的高层建筑及汽车的薄板形结构件等等。

2.4铝锌合金的应用

在铝锌合金中,为了改善性能常常加入了硅、镁元素。由于锌在铝中的溶解度比较高,在铸造冷却凝固过程中不易于发生分解,可得到固溶强化,在相应的铸造条件下,该合金可以有淬火作用,不经过热处理就可使用,使得铸件的强度得到加强。其主要应用于制作型板、仪表壳体、模型及设备支架等。


结语

随着经济潮流的发展,压铸铝合金会在汽车、航空等各方面得到越来越广泛的应用。而随着时代科技的前进,对加入不同元素的新型压铸铝合金的需求也会逐步产生,从而推动对压铸铝合金的深入研究。


参考文献

[1]潘复生,张丁正等编著,铝合金及应用,化学工业出版社,2006.1.1

[2]刘志明、王平原、李杰,压力铸造技术与应用版,天津大学出版社,2010.9.

[3]熊艳才,铸造铝合金现状及未来发展〔J〕,特种铸造及有色合金,1998, (4): 15