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在铸造铝合金中,铜不仅能提高a固溶体的热稳定性,更重要的是许多高温热稳定相,如:150~200℃时的θ(CuAl2)相,200~250℃时的W(Al4Mg5Cu4Si4)相,250~300℃时的S(A12CuMg)相,300~350℃时的TMn(Al20Cu2Mn3)相,300~400℃时的TNi(Al6Cu3Ni)相和Al8Cu4Ce、Al24Cu8Ce3Mn等相(见铝合金的相)中都含有铜。因此,铝一铜二元合金是耐热铝合金的基础,一般含铜量都在3%以上。工业耐热铸造铝合金系有:铝铜镍系,铝铜镍镁系,铝铜镍锰系,铝铜硅铁系,铝硅铜镍系,铝衍土铜系等。
中国ZL201合金、前苏联的B300合金,属于耐热铸造铝合金,具有高的高温性能和室温性能。ZL201合金的化学成分(%)为:Cu4.5~5.3,Mn0.6~1.0,Ti 0.15~0.25,AL余量;B300的化学成分(%)为:Cu4.6~6.0,Ni2.6~3.6,Mg0.8~1.5,Mn0.18~0.5,Cr0.1~0.25,Al余量。ZL201合金(S、T5)的室温力学性能σb=330MPa,δ=4%;300℃的σ=120MPa,δ=5%,σ300℃/100h=70MPa。B300合金(淬火 回火)的室温σb>210MPa,δ>0.8%;300℃的σb=165MPa,σ300℃/100h=65MPa,350℃的σb=90MPa ,σ300℃/100h=45MPa。ZL201合金用于在175~300℃下工作的飞机零部件,B300合金可用于在300~350℃下工作的零件。
耐热铸造铝合金的发展趋势是加入锆、钒、钨、钼和稀土等元素,进一步提高合金的耐热性,同时要发展综合性能良好的耐热合金。
铝-铜系铸造铝合金Al-C'.u cast aluminium alloy以铜为 主要合金元素的铸造铝合金。铜的含量范围在4%一抖%。 含铜9%以上的Al-Cu系合金。具有较好的铸造性能,可用于 金属型铸造,并具有良好的抛光性能及电镀性能。但热处理 强化效果不大,力学性能较低,主要用于装饰性零件。该系合 金中其有重要应用价值的是由Al-5Cu合金基础上发展起来 的高强度铸造铝合金和热强铸造铝合金。主要有A1- Al}:u-Mn, At-Cu-Mg, AI-Cu-u1i. A1-Cu-RE等系列。 C;u-Si , A1一〔抽 系合金具有良好的切削加工性能和焊接性能。铸造性能较 井.热裂疏松4}向较大,需要合理的铸造工艺设计。
现代铸造铝合金按主要加入的元素可分为4个系列,即:铝硅系、铝铜系、铝镁系及铝锌系。对这4个系列,各国都有相应的合金和合金牌号的标记。中国采用ZL 3位数字标记法,第一位数字表示合金系,其中:1表示铝硅合金系,2表示铝铜合金系,3表示铝镁合金系,4表示铝锌合金系,第二、三位数字表示合金序号。中国的几种典型铸造铝合金如表所示,根据合金的使用特性可分为:耐热铸造铝合金、气密铸造铝合金、耐蚀铸造铝合金和可焊铸造铝合金
通常硅含量为4%~13%,又称“硅铝明”合金。铸造性能最佳,裂纹倾向性极小,收缩率低,有很好的耐蚀性和气密性以及足够的力学性能和焊接性能。此系合金在工业上的应用虽较铝-铜系合金晚些,但于1920年发现可进行变质处理后,使该系合金的组织和性能得到改善,拓宽了使用范围,在用量上几乎占铸造铝合金的50%。铝硅系合金可分为共晶型、亚共晶型、过共晶型和添加铜、镁、锰等复杂的共晶合金。ZL102合金为典型的二元共晶合金,共晶温度为577℃,共晶成分为12.6%Si,共晶温度下α固溶体中溶解1.6%Si,室温下溶解约0.05%Si;β相为铝溶于硅中的固溶体,其溶解度极小,因而共晶组织为α Si两相组成。多元合金的组织中,除α和硅外,还有θ(CuAl2)、W (AlxMg5Si4)等相(见铝合金的相)。含铜的铝硅合金可热处理强化,但耐蚀性差。合金中硅相的形状对强度和塑性有显著的影响,通过变质处理(在熔体中加入钠或锑),使硅相球化,合金的组织和性能得以改善。过共晶合金中的粗大初晶硅有害于力学性能和切削性能,常加入磷,形成AlP化合物,使初晶硅细化,减少其有害影响。
是最早出现的工业铸造铝合金。该系合金有高的强度和热稳定性,但铸造性和耐蚀性差。铜含量一般低于铜在铝中的溶解度极限(5.85%),平衡组织中无共晶体,非平衡条件下,可能出现少量共晶体,经固溶处理,使固溶体过饱和,可获得时效强化效果。合金中加入锰、钛可使晶粒细化,能补充强化和改善耐蚀性。
该系合金强度高,耐蚀性最佳,密度小,有较好的气密性。铝镁二元铸造合金,镁含量高达11.5%,多元合金中的镁含量一般为5%左右。合金的组织为α β(Mg5Al8)相组成,热处理的强化效果不明显,主要为固溶强化。β(Mg5Al8)相沿晶界呈网状析出时,抗蚀性和力学性能变坏。为防止β(Mg5Al8)相沿晶界析出,多在固溶状态下使用。合金中加入硅和锰能改善合金的流动性。
该系合金在铸造状态就具备淬火组织特征,不进行热处理就可获得高的强度,但合金的密度大,不适宜制作飞机零件。该合金系是在硅铝明合金的基础上加锌而成,因此亦称“锌硅铝明”合金。