鑄造鋁合金是以熔融金屬充填鑄型，獲得各種 形狀零件毛坯的鋁合金。具有低密度， 比強度較高，抗蝕性和鑄造工藝性好， 受零件結構設計限制小等優點。分為 Al-Si和Al-Si-Mg-Cu為基的中等強 度合金；Al-Cu為基的高強度合金；Al-Mg為基的耐蝕合金；Al-Re為基 的熱強合金。大多數需要進行熱處理 以達到強化合金、消除鑄件內應力、穩 定組織和零件尺寸等目的。用於製造梁、 燃汽輪葉片、泵體、掛架、輪轂、進氣 唇口和發動機的機匣等。還用於製造 汽車的氣缸蓋、變速箱和活塞，儀器儀 表的殼體和增壓器泵體等零件。
基本介紹
- 中文名：鑄造鋁合金
- 外文名：cast aluminium alloy
- 分類依據：合金元素差異
- 缺陷：氧化夾渣、氣孔氣泡等
- 學科：金屬材料
- 套用：航空工業和民用工業
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介紹
採用鑄造工藝直接獲得所需零件所使用的鋁合金。要求它有理想的鑄造性：良好的流動性，較小的收縮、熱裂及冷裂傾向性，較小的偏析和吸氣性。鑄造鋁合金的元素含量一般高於相應變形鋁合金的，多數合金接近共晶成分。
1905～1925年，歐美國家在研究鋁合金相圖的基礎上開展了工業鋁合金的研究。最初研究了鋁-鎳合金，但其鑄造性能不佳，因此鎳未能成為主要強化元素。其後研究了在鋁中加入銅、鎂、錳、矽等元素，獲得了較為理想的性能，因而發展了一些二元及多元的鑄造鋁合金，其中著名的矽鋁明合金在1920年前後用於工業。
套用
鑄造鋁合金具有良好的鑄造性能，可 以製成形狀複雜的零件；不需要龐大的附加設備；具有節約金屬、降低成本、減 少工時等優點，在航空工業和民用工業得到廣泛套用。用於製造梁、 燃汽輪葉片、泵體、掛架、輪轂、進氣 唇口和發動機的機匣等。還用於製造 汽車的氣缸蓋、變速箱和活塞，儀器儀 表的殼體和增壓器泵體等零件。
分類
現代鑄造鋁合金按主要加入的元素可分為4個系列，即：鋁矽系、鋁銅系、鋁鎂系及鋁鋅系。對這4個系列，各國都有相應的合金和合金牌號的標記。中國採用ZL+3位數字標記法，第一位數字表示合金系，其中：1表示鋁矽合金系，2表示鋁銅合金系，3表示鋁鎂合金系，4表示鋁鋅合金系，第二、三位數字表示合金序號。中國的幾種典型鑄造鋁合金如表所示，根據合金的使用特性可分為：耐熱鑄造鋁合金、氣密鑄造鋁合金、耐蝕鑄造鋁合金和可焊鑄造鋁合金
鋁-矽系合金
通常矽含量為4%～13%，又稱“矽鋁明”合金。鑄造性能最佳，裂紋傾向性極小，收縮率低，有很好的耐蝕性和氣密性以及足夠的力學性能和焊接性能。此系合金在工業上的套用雖較鋁-銅系合金晚些，但於1920年發現可進行變質處理後，使該系合金的組織和性能得到改善，拓寬了使用範圍，在用量上幾乎占鑄造鋁合金的50%。鋁矽系合金可分為共晶型、亞共晶型、過共晶型和添加銅、鎂、錳等複雜的共晶合金。ZL102合金為典型的二元共晶合金，共晶溫度為577℃，共晶成分為12.6%Si，共晶溫度下α固溶體中溶解1.6%Si，室溫下溶解約0.05%Si；β相為鋁溶於矽中的固溶體，其溶解度極小，因而共晶組織為α+Si兩相組成。多元合金的組織中，除α和矽外，還有θ（CuAl2）、W （AlxMg5Si4）等相（見鋁合金的相）。含銅的鋁矽合金可熱處理強化，但耐蝕性差。合金中矽相的形狀對強度和塑性有顯著的影響，通過變質處理（在熔體中加入鈉或銻），使矽相球化，合金的組織和性能得以改善。過共晶合金中的粗大初晶矽有害於力學性能和切削性能，常加入磷，形成AlP化合物，使初晶矽細化，減少其有害影響。
鋁銅系合金
是最早出現的工業鑄造鋁合金。該系合金有高的強度和熱穩定性，但鑄造性和耐蝕性差。銅含量一般低於銅在鋁中的溶解度極限（5.85%），平衡組織中無共晶體，非平衡條件下，可能出現少量共晶體，經固溶處理，使固溶體過飽和，可獲得時效強化效果。合金中加入錳、鈦可使晶粒細化，能補充強化和改善耐蝕性。
鋁鎂系合金
該系合金強度高，耐蝕性最佳，密度小，有較好的氣密性。鋁鎂二元鑄造合金，鎂含量高達11.5%，多元合金中的鎂含量一般為5%左右。合金的組織為α+β（Mg5Al8）相組成，熱處理的強化效果不明顯，主要為固溶強化。β（Mg5Al8）相沿晶界呈網狀析出時，抗蝕性和力學性能變壞。為防止β（Mg5Al8）相沿晶界析出，多在固溶狀態下使用。合金中加入矽和錳能改善合金的流動性。
鋁鋅系合金
該系合金在鑄造狀態就具備淬火組織特徵，不進行熱處理就可獲得高的強度，但合金的密度大，不適宜製作飛機零件。該合金系是在矽鋁明合金的基礎上加鋅而成，因此亦稱“鋅矽鋁明”合金。
成分與性能
中國幾種典型鑄造鋁合金的主要成分和性能
合金系 | 牌號 | 主要元素/% | 鑄造 方法① | 狀 態② | 力學性能（最小值） | ||||||||
Si | Cu | Mg | Zn | Mn | 其他 | Al | σb /MPa | δ /% | HB /MPa | ||||
鋁-矽 | ZL101 | 6.5～7.5 | - | 0.25～0.45 | - | - | - | 餘量 | SB，RB， KB | T6 | 222 | 1 | 700 |
ZL102 | 10.0～13.0 | - | - | - | - | Ti 0.08～0.20 | 餘量 | SB，RB KB | T6 | 271 | 1 | 900 | |
ZL108 | 11.0～13.0 | 1.0～2.0 | 0.4～1.0 | - | 0. 3～0. 9 | 餘量 | J | T6 | 251 | - | 990 | ||
鋁-銅 | ZL201 | - | 4.5～5.3 | - | - | 0.6～1.0 | Ti 0.15～0.25 | 餘量 | S，j R，K | T5 | 330 | 4 | 900 |
ZL207 | 1.6～2.0 | 3.0～3.4 | 0. 15～0. 25 | - | 0.9～1.2 | Ni0.25 Zr0.20 | 餘量 | S | T1 | 153 | - | 750 | |
鋁-鎂 | ZL301 | - | - | 9.5～11.0 | - | - | - | 餘量 | S，j R | T4 | 280 | 9 | 600 |
ZL303 | 0.8～1.3 | - | 4.5～5.5 | - | 0.1～0.4 | - | 餘量 | S，j R，K | F | 143 | 1 | 550 | |
鋁-鋅 | ZL401 | 6.0～8.0 | - | 0.1～0.3 | 9.0～13.0 | - | - | 餘量 | S，R K | T1 | 192 | 2 | 800 |
①鑄造方法中：S—沙模鑄造；j—金屬模鑄造；R—熔模鑄造；K—殼型鑄造；B—變質處理；
②合金狀態中：F—鑄態；T1—自然時效；T4—固溶處理加自然時效；T5—固溶處理加不完全人工時效；T6—固溶處理加完全人工時效。
鋁合金精煉技術
鋁合金精煉主要是去除合金液中的氣體和非金屬夾雜物。鋁合金中的氣體主要是氫（占85%以上），夾雜物主要是氧化鋁。由於氫在液態和固態鋁合金中的飽和溶解度相差近20倍，在鋁合金凝固過程中極易析出氫，使鑄件產生針孔。夾雜物和氣體是相互作用的，在工業純鋁中每100 g鋁合金液中氫含量高於0.1 m L時，就會出現氣孔，而在高純鋁中每100 g鋁合金液中含氫量高達0.4 m L時，才會出現氣孔。可見除氣必須除渣，而除渣是除氣的基礎。
鋁合金常用的精煉劑是六氯乙烷或氯鹽，這種精煉劑除氣和除渣效果非常好，但不利於環保，正在逐步被無毒精煉劑取代。國內外研究者開發了兩類有效的精煉方法，即旋轉葉輪法（RID法）和噴射熔劑法（FI法）。旋轉葉輪法（RID法）是往合金液中通惰性氣體，通過葉輪旋轉切割將大氣泡打碎成直徑約為0.5 m m的小氣泡，它們均勻分布於合金液中，緩緩上升，可提高除氣效果；熔劑噴射法（FI法）是將粉狀熔劑以惰性氣體作載體均勻噴入合金液，增加熔劑與合金液接觸面積，增強除渣作用，同時熔劑改變氣泡與合金液界面的性質，提高惰性氣體的除氫效果。目前，效果比較好的精煉方法是將上述兩種方法結合起來使用，即旋轉噴吹法，在旋轉葉輪法的基礎上，往合金液中噴粉狀熔劑。
