铸造AL-SI 铝硅合金的应用
变质元素对铸造Al_Si合金共晶结晶的作用及机制
twin re-entrant groove
共晶团以松散的共生模式呈辐射状生长[6]，这既可 以自型壁向内发展，也可以按内生方式，见图3。因非 规则共晶生长界面参差不齐且为非等温面，各个Si片 端部领先于α-Al相深入到液体中。最终形成的共晶团 是α-A1和板片状Si紊乱排列的两相混合体，其共晶Si 为源自相同核心经有限分枝所形成。这与灰铸铁共晶 团的情形很相似，只是因为石墨及硅分别形成旋转孪
关键词：Al-Si合金；共晶结晶；变质处理；硅晶体形貌；生长动力学 中图分类号：TG146.2+1 文献标识码：A 文章编号：1001-4977 （2011） 11-1073-07
Function of Modification Element on Eutectic Solidification of
Al-Si共晶符合非小平面-小平面非规则共晶的一般 特征，以“偏离”及“汇聚”交替方式生长[1]。在普通 铸造条件下，未经变质处理的Al-Si合金液凝固后Si晶 体的形貌如图 1a、c[2]所示。其共晶 Si为粗大 板片状 （金相磨面上看似针状或条状），呈无方向性非规则分 布，对共晶及近共晶成分的铝硅合金还常有少量初晶 Si。这样的组织致使Al-Si合金的力学性能较低。为此， 铸造生产中通常以含Na及Sr等变质剂对Al-Si合金液进 行变质处理，以实现共晶Si“片状-纤维状”的形态转 变，且消除初晶Si，凝固后共晶Si转变为细小的纤维 状，见图1b、d[3]，亦或伴有少量细片状。这一组织改 变对铸造Al-Si合金性能的提高极具意义，其抗拉强度 可升高50%左右，塑性甚至可升高3倍左右。
根据Al-Si合金变质的IIT机制，从晶体几何的角度 推 算 出 变 质 元 素 对 Si 的 理 想 原 子 半 径 比 （r/rS）i 为 1.646。据此，人们采用接近这一理想比值的其他元素 对Al-Si合金的变质效果 进行 了 广 泛 探 索 ，包 括 Ca、 Ba、Sb等，以及Y、Eu、Yb等一些稀土元素。结果显 示，这些元素的确具有不同的变质效果，其中，Na、 Sr、 Ba、 Ca、 Eu 等 变 质 元 素 将 共 晶 Si 转 变 为 纤 维 状 ， 而Y、Sb、Yb等元素可将共晶Si转变为短小片状或块 状，见图5[12]。但受多方面其他因素制约，目前国内外 实际应用的仍然以Sr和Na为主。鉴于工艺稳定性及环 境因素，Na变质在一些国家也已逐步被淘汰。
铝合金的分类
铝合金的分类目前应用于压铸方面的合金以铝合金数量占多。
取其具有质轻和良好的耐蚀性与机械性能、以及良好的热传导等物理性质。
铝合金可以分为加工材和铸造材，在加工材中又可分为热处理型铝合金材料和非热处理型铝合金材料两大类。
压铸铝合金是属于铸造材，而一般惯常用的铝合金因为是透过压铸工艺加工成产品，所以并不适合再作热处理。
1.铝－硅（Al-Si）系列一般的铝硅合金如ADC1适用于大型、薄壁及形状复杂的制品。
其硅（Si）元素含量在共晶点附近，使铸件熔液流动性变好，具有优良的铸造性，耐蚀性佳，热传导率高，热膨胀和比重少（2.65g/cm3）等优点。
但耐热脆性不佳，易生脆相，阳极氧化性也不好，若铸造条件不适当，则熔液流动性缓慢。
2.铝－硅－铜（Al-Si-Cu）系列ADC12合金是在Al-Si合金添加铜（Cu）合金元素，属最广泛使用的代表性压铸铝合金，其铸造性和机械性能优良，但耐腐蚀性较差。
3.铝－硅－镁（Al-Si-Mg）系列ADC3铝合金是在Al-Si合金内添加Mg、Fe等合金元素，具优良的机械性能，耐蚀性及铸造性良好，但当铁（Fe）含量少于1.0％时易与金属模粘合，是普遍使用的合金。
另外ADC5及ADC6合金，又称为铝－镁（Al-Mg）合金，具有更加强度、耐蚀性及切削性，是铝合金之中效果最优良的。
但由于其凝固收缩量及热膨胀系数大，故此类合金铸造性欠佳。
另外由于流动性也欠佳，容易产生粘模现象及研磨后失去金属光泽，故较适合于阳极氧化处理，另不纯物如铁（Fe）、硅（Si）等皆会影响其表面外观。
不同国家对压铸铝合金都有不同的称呼，例如Axxx是美国型号，ADCxx是日本型号，LMxx是英国型号，YLxxx是中国型号。
铝合金的成份Si（硅）为压铸合金的主要成分，也是显著改善其流动性的重要元素。
随着Si含量的增加，抗拉强度及硬度会增加但延伸率则下降。
Cu（铜）铝合金内固相溶铜量，使机械性质变佳，最高强度是在4～6％铜含量，切削性也佳，但会影响压铸铝合金的抗耐蚀能力。
各种铸造铝合金牌号的主要特点及应用
各种铸造铝合金牌号的主要特点及应用Company Document number：WTUT-WT88Y-W8BBGB-BWYTT-19998各种铸造铝合金牌号的主要特点及用途ZL101的特点是成分简单，容易熔炼和铸造，铸造性能好，气密性好、焊接和切削加工性能也比较好，但力学性能不高。
适合铸造薄壁、大面积和形状复杂的、强度要求不高的各种零件，如泵的壳体、齿轮箱、仪表壳（框架）及家电产品上的零件等。
主要采用砂型铸造和金属型铸造。
Zl101A由于是在ZL101的基础上加了微量Ti，细化了晶粒，强化了合金的组织，其综合性能高于Zl101、ZL102，并有较好的抗蚀性能，可用作一般载荷的工程结构件和摩托车、汽车及家电、仪表产品上的各种结构件的优质铸件。
其使用量目前仅次于ZL102。
多采用砂型和金属型铸造。
（ZL101A合金是以ZL101合金为基础严格控制杂质含量，改进铸造技术可以获得更高的力学性能。
铸造性能，耐腐蚀性能和焊接性良好。
用于铸造各种壳体零件，飞机的泵体、汽车变速箱、燃油箱的弯管等）Zl102这种合金的最大特点是流动性好，其它性能与ZL101差不多，但气密性比ZL101要好，可用来铸造各种形状复杂、薄壁的压铸件和强度要求不高的薄壁、大面积、形状复杂的金属或砂型铸件。
不论是压铸件还是金属型、砂型铸件，都是民用产品上用得最多的一个铸造铝合金品种。
Zl104因其工晶体量多，又加入了Mn，抵消了材料中混入的Fe有害作用，有较好的铸造性能和优良的气密性、耐蚀性，焊接和切削加工性能也比较好，但耐热性能较差，适合制作形状复杂、尺寸较大的有较大负荷的动力结构件，如增压器壳体、气缸盖，气缸套等零件，主要用压铸，也多采用砂型和金属型铸造。
Zl105、ZL105A由于加入了Cu，降低了Si的含量，其铸造性能和焊接性能都比ZL104差，但室温和高温强度、切削加工性能都比ZL104要好，塑性稍低，抗蚀性能较差。
适合用作形状复杂、尺寸较大、有重大负荷的动力结构件。
铝硅合金介绍
硅的颗粒含量高达14.5%～25%时，
再加入一定量的Ni，CU，Mg等元 素能改善其综合力学性能。
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第二部分
可用于汽车发动机中代替铸 铁汽缸而明显减轻重量。用 作汽缸的铝硅合金，可经过 电化学处理以浸蚀表层铝而 在缸内壁保留镶嵌于基体的 初生硅质点，其抗擦伤能力 和抗磨损性以明显改善。其 中含硅量11%～13%的合金以 其质轻、低膨胀系数和高耐 蚀性能等特点而成为最佳的 活塞材料之一。
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第二部分 第三部分
应用
工艺
工作展望 工艺1：高硅铝合金，按重量百分比，其组 成如下：铝69.5～73.5％、硅19.0～21.0％、 铜4.5～5.5％、镁0.5～0.7％、铁0.8～1.0 ％、锌0.8～1.2％、锰0.2～0.4％、镍 0.03～0.08％、钛0.1～0.2％、铋0.2～0.4 ％、杂质0.1～0.15％。制备方法：将回收 的废铝经检测后进行配料，将配好的料投 入熔炼炉中，熔炼温度控制在900～950℃， 熔炼时间为4～6小时；再经调整炉料、变 质处理、精炼、扒渣及浇铸。本发明可以 降低电能消耗、降低成本，减少环境污染、 制备工艺简单。 电热法生产铝硅合金的冶金温度大约在 2000℃左右；在冶金过程中，氧化铝和氧化 硅呈液态，一般用炭质还原剂进行还原；矿 热炉一般能达到的最高温度大约在 1350~2200℃左右。
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Al-Si合金的应用
Al-Si合金是铸造铝合金中品种最多，用途最广的一类合金。
在这类合金中 Si是主要合金化元素 ,Si改善合金的流动性 ,降低热裂倾向 ,减少疏松 ,Si改善合金的流动性 ,降低热裂倾向 ,减少疏松 ,分为亚共晶铝硅合金、共晶铝硅合金和过共晶铝硅合金。
随着硅量的增加 ,结晶温度区间变小 ,共晶体增加 ,流动性随之提高 ,虽然铸造性能获得改善 ,但组织中出现针状或片状的共晶 Si ,甚至出现粗大的多角形块状或板状初晶 Si ,严重地割裂了 Al基体 ;在Si相的尖端和棱角处引起应力集中 ,容易沿晶粒边界处或板状 Si本身开裂而形成裂纹 ,使合金变脆 ,力学性能特别是伸长率显著降低 ,切削加工性能也变差，硅的收缩率很小，合金的线收缩率也随之降低 ,热裂倾向相应减少 ;硅的结晶潜热大 ,直至20%Si 处,流动性仍比共晶成分的合金高 ,含16%～18%Si处有流动性峰值。
随硅量增加 ,铝硅二元合金的磨损量、腐蚀量、线膨胀系数、密度、电导率均直线下降。
一合金牌号和化学成分国内外三类Al-Si系活塞合金的牌号和化学成分见表1。
据资料报道 :发达国家普遍以钛作为细化合金元素 ,尤其是铸造铝合金中 ,几乎全部进行钛合金化处理。
在变形铝合金中 ,美国近250多种牌号有70%要求或允许含有适量的钛 (大部分要求≤0.15%Ti)。
电解法生产低钛铝合金具有成本低、工艺简便、晶粒细化、性能提高幅度大等优点 ,为提高我国铝合金的质量和性能提供了新的加钛工艺和方法。
用电解法制备的低钛铝合金所配制的几种铸造铝合金如A356、ZL108、ZL111等具有晶粒细小 ,合金的强度、韧性、耐磨性、抗疲劳性能及热稳定性等均有所提高。
由于电解法生产低钛铝合金基本不需要改变电解设备及工艺 ,生产成本基本不增加 ,实现了电解铝硅活塞合金加钛提供了便利 ,在我国具有广泛应用前景。
二提高合金综合性能的途径为了既保持铝硅合金的固有优点 ,又使力学性能有大幅度的提高 ,应用更广泛 ,近几十年来 ,世界各国铸造工作者研究并采用了不少行之有效的措施。
铸造铝硅合金特性和分类
2.3．1 铸造铝合金的一般特性为了获得各种形状与规格的优质精密铸件．用于铸造的铝合金必须具备以下特性，其中最为关键的是流动性和可填充性。
(1) 有填充狭槽窄缝部分的良好流动性；(2) 有适应其他许多金属所要求的低熔点：(3)导热性能好，熔融铝的热量能快速向铸模传递，铸造周期较短；(4) 熔体中的氢气和其他有害气体可通过处理得到有效的控制；(5)铝合金铸造时，没有热脆开裂和撕裂的倾向：(6)化学稳定性好，有高的抗蚀性能；(7)不易产生表面缺陷，铸件表面有良好的光泽和低的表面粗糙度，而且易于进行表面处理；(8)铸造铝合金的加工性能好，可用压模、硬(永久)模、生砂和干砂模、熔模、石膏型祷造模进行铸造生产，也可用真空铸造、低压和高压铸造、挤压铸造、半固态铸造、离心铸造等方法成形，生产不同用途、不同品种规格、不同性能的各种铸件。
2.3．2铸造铝合金的牌号与状态表示方法铸造铝合金可分为热处理强化型和非热处理强化型两大类。
目前，世界各国已开发出了大量洪铸造的铝合金，但目前基本的合金只有以下6类：(1)A1-Cu铸造铝合金；(2)Al-Cu-Si铸造铝合金；(3)Al-Si铸造铝合金；(4)Al-Mg铸造铝合金；(5)A1-zn-Mg铸造铝合金；(6)Al-Sn铸造铝合金：铸造铝合金系目前国际上无统一标准，各国(公司)都有自己的合金命名及术语，下面分别简述如下。
2．3．2．1 中国铸造铝合金的牌号与状态表示方法(1)按GB8063规定，铸造铝合金牌号用化学元素及数字表示，数字表示该元素的平均含量。
在牌号的最前面用“z”表示铸造，例如ZAISi7Mg，表示铸造铝合金，平均含硅量为7％，平均含镁量小于1％。
另外还有用合金代号表示法，合金代号由字母“z”、“L”(分别是“铸”、“铝”的汉语拼音第一个字母)及其后的三位数字组成。
zL后面第一个数字表示台金系列．其中1、2、3、4分别表示铝硅、铝铜，铝镁．铝锌系列合金，ZL舌面第二位、第三位两个数字表示顺字号。
几种铸造铝合金的铸造性能及力学性能分析
几种铸造铝合金的铸造性能及力学性能分析罗佳;孙亮【摘要】主要对3种铸造铝合金的铸造性能和力学性能进行研究对比.第一种是铝硅系的铸造铝合金,假设为A(ZL101,Al-7.1%Si-0.3%Mg);第二种是铝镁系的铸造铝合金,假设为B(ZL301,Al-10.0%Mg-0.09%Ti);第三种是最近新研制调配出的低镁低硅铝合金,假设为C(Al-2.5%Si-2.1%Mg-0.8%Mn-0.2%Cr).通过试验及结果对比可知,这3种铝合金的抗拉强度、屈服强度、断后伸长率都表现出极好的强度,即具有很好的力学性能.其中,合金A的铸造性能良好;合金B的铸造性能、抗应力能力较差;低镁低硅的铝合金C的性能比较均衡,表现出很高的综合性能.【期刊名称】《现代制造技术与装备》【年(卷),期】2017(000)004【总页数】2页(P30,32)【关键词】铝合金;铸造性能;力学性能【作者】罗佳;孙亮【作者单位】池州职业技术学院,池州 247000;池州职业技术学院,池州 247000【正文语种】中文就传统制造行业来说，普遍用到的铸造铝合金分为两大类。
一类是铝硅合金（如ZL101），可使用热处理强化后提高强度，延伸塑性[1]。
该合金的铸造性能优良，流动性好，较小的线收缩率，较低的热裂倾向，较高的气密性，但有产生缩孔的隐患，广泛应用于我国船舰雷达天线底座、泵外壳、齿轮箱、仪表壳等地方。
铝硅合金对海水腐蚀抗性较差，即便涂了防腐漆，也容易产生不规律的点片腐蚀。
另一类则是铝镁合金（如ZL301）对海水具有较强的抗腐蚀性能，铸造性能相对较差，且存在应力腐蚀倾向。
这两类铸造铝合金均不能满足舰船某些构件的应用需要。
因此，研制一种新型铸造铝合金，使其铸造工艺性能、力学性能及耐蚀性（包括抗应力腐蚀性能）等综合性能良好，满足舰船用铸造合金的要求，具有重大的国防意义[2]。
试验材料为A（ZL101，Al-7.1%Si-0.3%Mg）、B（ZL301，Al-10.0%Mg-0.09%Ti）及新近研制开发的低镁低硅铝合金C（Al-2.5%Si-2.1%Mg-0.8%Mn-0.2%Cr），均为砂型铸造[3]，分别通过细砂铸件铸造铝合金板试验，浇注温度为750℃。
铝合金材料
Al-Si10Mg Al-Cu10Si2Mg Al-Si12Cu/Al-Si12CuFe Al-Si5Cu1Mg Al-Si12Cu/Al-Si12CuFe
Al-Si6Cu4 Al-Si5Cu3 Al-Si8Cu3Fe
1706-1998 -
1.5
A04130 11.0-13.0
2
A14130 11.0-13.0
1.3
A34430
4.5-6.0
2
518 360 A360.0 380 A380.0 383 384 390 B390.0
序号 1 2 3 4 5 6 7
合金系列 Al-Si 系
Al-Si-Mg 系
Al-Si-Cu 系
Al-Mg 系
日本 美国 俄罗斯 德国 中国
ADC3
9.0-10.0
360 9.0-10.0
AJ14
8.0-10.5
AlSi10Mg 9.0-11.0
YL112
7.5-9.5
<0.60 <0.60 <0.10 <0.10 3.0-4.0
日本
美国
俄罗斯 德国 中国
YL113
9.6-12.0
ADC10
7.5-9.5
ADC12
性能
微弧氧化膜
硬质阳极氧 化膜
最大厚度μm ～300
50～80
显微硬度HV 1500～2500 300～500
击穿电压 高
低
均匀性 孔隙率
内外表面均 尖位表面均
匀
匀性较低
低
高
耐磨性
高
低
盐雾测试 一般
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来源：我的铝锭网日期:2013-4-07
铝硅(Al-Si)合金，一般Si的质量分数为4%~22%.由于Al-Si合金具有优良的铸造性能，如流动性好、气密性好、收缩率小和热烈倾向小，经过变质和热处理后，具有良好的力学性能、物理性能、耐腐蚀性能和中等的机加工性能，是铸造铝合金中品种最多、用途最广的一类合金。常见铸造Al-Si合金的特点及应用情况如下：
（4）ZL105合金ZL105合金的力学性能高，铸造性能和焊接性能令人满意，切削加工性能和耐热强度比ZL104合金好，但塑性低，腐蚀稳定性不高，适合于各种铸造方法。目前，该类合金主要被用于生产承受大负荷的飞机、发动机砂型和金属型铸造零件，如传动机匣、汽缸体、液压泵壳体和仪器零件，也可做轴承支座和其他机器零件。此外，在ZL105合金基础上降低Fe等杂质含量发展起来的ZL105A合金，由于具有更高的强度和断后伸长率，目前也已被制造用于承受大负荷的优质铸件，例如飞机的曲轴箱、阀门壳体、叶轮、冷却水套、罩子、轴承支座及发动机和机器的其他零件。
（11）YL112合金YL112是压铸合金，具有好的铸造性能和力学性能，很好的流动性、气密性的抗热裂性，常用作齿轮箱、空冷汽缸头、无线电发报机的机座、割草机罩子及气动刹车铸件。
（12）YL113合金YL113合金具有极好的流动性，很好的气密性和抗热裂性，主要用于压铸。典型用途是做带轮、活塞和汽缸头等。还可用于汽车发动机壳体、摩托车发动机壳体、园林工具壳体等配件的压铸。国际牌号等同于日标ADC12.是压铸行业应用最为广泛的再生铝锭.
（7）ZL108合金ZL108合金的铸造性能良好，强度高，热膨胀系数小及耐磨性能好。此外，其高温性能令人满意，一般用于金属型铸造。目前，该类合金主要用作内燃机活塞及起重滑轮等零部件.
（8）ZL109合金ZL109合金适合于金属型铸造，具有极好的流动性，很好的气密性和抗热裂性能，好的高温强度和低温膨胀系数。其典型用途是做皮带轮、轴套和汽车活塞及柴油机活塞，也可做起重滑轮等。
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（9）ZL110合金ZL110合金具有中等的力学性能和好的耐热性能，适用于砂型和金属型铸造，合金密度大，线胀系数大，用于制造内燃机活塞、油嘴、油泵等零件。但需要注意的是，由于合金热膨胀系数大，当用于制造活塞时有可能会产生“冷敲热拉”现象.
（10）ZL111合金ZL111合金具有很好的气密性和抗热裂性及极好的流动性，高的强度，好的疲劳性能和承载能力，容易焊接并且耐腐蚀性好，适于砂型、金属型的压力铸造。目前，该类合金主要用于制造复杂、承受高载荷的零件，如用于飞机和导弹的铸件等。
（13）ZL114A合金ZL114A合金有很高的力学性能和很好的铸造性能，即很高的强度，好的韧性和很好的流动性、气密性和抗热裂性，能铸造复杂形状的高强度铸件，适合于各种铸造方法，用于高强度优质铸件，制造飞机和导弹仓体等承受高载荷的零件。
（14）ZL115合金ZL115合金适合于砂型和金属型铸造，具有很好的铸造性能和较高的力学性能，如高的强度和硬度及很好的伸长率，主要用作波导管、高压阀门、液压管路、飞机挂架和高速转子叶片等。
（2）ZL102合金ZL102合金具有最好的抗热裂性能和很好的气密性，以及很好的流动性，不能热处理强化，抗拉强度低，适于浇铸大的薄壁复杂零件，主要适合于压铸。目前，该类合金主要被用于承受低负荷形状复杂的薄壁铸件，如各种仪表壳体、汽车机ห้องสมุดไป่ตู้、牙科设备、活塞等。
（3）ZL104合金ZL104合金具有良好的气密性、流动性和抗热裂性能，强度高，耐腐蚀性能、焊接性能和切削加工性能良好，但耐热强度低，易产生细小的气孔，铸造工艺较复杂。因此其目前主要被用于制造承受高负荷的大尺寸的砂型金属型铸件，如传动机匣、汽缸体、汽缸盖阀门、带轮、盖板工具箱等飞机、船舶和汽车零件。
（5）ZL106合金ZL106合金具有中等的力学性能，很好的流动性能，满意的抗热裂性能，适于砂型铸造和金属型铸造。目前，该类合金主要被用于形状复杂、承受静载荷的零件，要求气密性高和在较高温度下工作的零件，如泵体和水冷汽缸头等。
（6）ZL107合金ZL107合金适用于砂型铸造和金属型铸造，具有很好的气密性、流动性和抗热裂性能，以及好的力学性能和切削加工性能。其主要被用于柴油机发动机的曲轴箱、钢琴用板片和框架、油盖和活门把手、汽缸头及打字机框架等零件的生产。
（1）ZL101(A)合金ZL101合金具有较好的气密性、流动性和抗热裂性能，有中等的力学性能、焊接性能和耐腐蚀性能，成份简单，容易铸造，适合于各种铸造方法。目前ZL101合金已被用于承受中等负荷的复杂零件，如飞机零件、仪器、仪器壳体、发动机零件、汽车及船舶零件、汽缸体、泵体、刹车鼓和电气零件等。此外以ZL101合金为基础严格控制杂质含量，并通过改进铸造技术而得到的具有更高的力学性能的ZL101A合金，目前已被用于铸造各种壳体零件、飞机的泵体、汽车变速箱、燃油箱的弯管、飞机配件及其他承受载荷的零件。
（15）ZL116合金ZL116合金适合于砂型和金属型铸造，具有很好的气密性、流动性和抗热裂性，还具有高的力学性能，属于高强度铸造铝合金。典型的应用包括波导管、高压阀门、液压管路、飞机挂架和高速转子叶片等.
（16）ZL117合金ZL117是过共晶Al-Si合金，具有很好的耐磨性、低的热膨胀系数和好的高温性能，同时还具有好的铸造性能，适合于金属型铸造，常用作发动机活塞、刹车块、带轮、泵和其他要求耐磨的部件。
（17）YL117合金YL117合金相当于美国的B390.0合金，是美国应用较广的过共晶Al-Si压铸合金，具有良好的流动性，中等的气密性和好的抗热裂性，特别是具有高的耐磨性和低的热膨胀系数，主要用作发动机机体、刹车块、带轮、泵和其他要求耐磨的零件.
附表:以上提到的合金成份表：
完整元素含量表：请到我的铝锭网铝锭学堂技术资料区下载.