投掷 铝 合金是汽车的关键材料, 航天, 工业机械, 和消费电子产品, 因其轻质特性而受到重视 (密度 2.5–2.8 克/立方厘米), 出色的铸造性, 和可调的机械性能.
基于其主要合金元素, 铸造铝合金国际上分为四大核心体系: al-si (铝硅), 铝铜 (铝铜), al-mg (铝镁), 和 铝锌 (铝锌合金).
每个系统都具有针对特定应用要求定制的独特特征, 从高强度航空航天部件到耐腐蚀海洋部件.
本文对其分类进行了全面分析, 关键属性, 合金化机制, 和工业应用——基于 ASTM B179, ISO 3116, 和其他国际标准.
1. 分类: 铸造铝合金的四个主要系列
| 家庭 | 典型成分 (wt％) | 主要特性 | 典型的应用 |
| al-是的 (铝硅) | 并且 ≈ 7–12％; + 微量镁 (约0.2-0.6%), 可选配 (高达~4%) | 优异的流动性和低凝固收缩率; 良好的可铸性和可加工性; 良好的耐磨性和热稳定性 (特别是过共晶); 如果存在镁，则可时效硬化 | 发动机块, 气缸盖, 传输外壳, 结构铸件, 压铸部件, 活塞 (过共晶低热膨胀) |
| al-cu (铝-铜) | 铜 ≈ 3–10％; 硅低 (≤~2%); 可添加 Mg/Mn | 高铸态和热处理强度; 卓越的高温强度和抗蠕变性 (通过 Al2Cu 强化沉淀) | 热端发动机组件, 阀座, 在高温下工作的高负载结构铸件和零件 |
| Al – Mg (铝-镁) | mg≈ 3–6％; 斯小 (≈0.5–1.0%) 可选以提高可铸性 | 非常好的耐腐蚀性 (在海水中表现优异); 密度低、韧性好; 可能的单相或近单相微观结构 | 海洋硬件, 海底外壳, 耐腐蚀性和低质量至关重要的轻质结构部件 |
| Al – Zn / Al – Zn – Mg (含锌系统) | Zn 含量为 wt%，并含有 Mg (锌和镁结合用于沉淀硬化) | 固溶处理后可获得非常高的强度 + 老化 (T6); 良好的比强度 | 精确, 将进行固溶处理和时效处理的高强度部件和结构件 (用于需要最大静态强度的地方) |
2. 铸造领域的主导家族——铝硅合金
典型成分 & 微观结构
- 和: 通常 7–12 重量% 在许多铸造等级中; 近共晶 (~12.6 wt% 硅) 组合物表现出最佳的流动性和最低的铸造收缩率.
- 其他有目的的添加: 毫克 (A356 中约为 0.3–0.6%) 用于时效硬化 (mg₂si沉淀); 铜 (采用活塞或高温合金) 高温强度;
在 在高温环境和过共晶合金中控制硅脆性. - 铸态显微组织: 基本的 α-铝 枝晶加共晶硅 (一个 + 和).
在未改性合金中，共晶 Si 较粗且呈片状; 改性后Si变得细小且呈纤维状.
共晶变质 (目的和代理人)
目标: 转换粗略, 将片状硅转变为细纤维形态，从而提高延展性, 机械加工性和抗疲劳性.
- 钠 (na) — 非常有效的修饰符，但不稳定; 需要密封剂量和仔细控制.
- 锶 (Sr) — 使用最广泛的商业修饰符; 典型剂量 0.015–0.03 重量%; 过量服用无效且可能有害.
- 锑 (SB) — 在某些系统中与 Sr 结合使用以稳定改性.
- 稀土 —少量添加可以稳定和延长某些合金的变质效果.
有害杂质及其控制
- 铁 (铁) — 形成坚硬的常见杂质, 脆性金属间化合物 (例如。, 铁铝₃, 铝₉Fe2Si2) 使铸件脆化并降低表面光洁度和耐腐蚀性.
减轻: 添加 Mn (约 0.3–0.5%) 或者 Cr (约0.1-0.2%) 将 Fe 相修改为危害较小的形态 (铝₆(铁,Mn)), 并控制废料原料. - 磷 (p) — 与 Na 发生反应并降解修饰; 严格控制炉料P含量.
- 锡/铅 — 形成低熔点共晶，导致热脆性和烧穿; 保持 < 如果可能的话~0.05%.
- 钙 (CA) — 可以形成高熔点化合物，降低流动性并促进收缩; 钙控制 < ~0.05% 以获得良好的铸造性.
代表性铝硅铸造合金及其应用
- A356.0 / 和ac-alsi7mg (≈Si 7.0–7.5%, 镁 0.3–0.5%) — 广泛使用的砂子 & 永模合金; 热处理 (T6); 申请: 发动机块, 结构房屋, 车轮.
- A357 — 与 A356 类似，但对 Fe 的控制更严格，机械性能更高.
- A319 / A380 (压铸家族) — 用于汽车泵壳的 Al-Si-Cu 压铸合金, 轮毂, 变速箱外壳.
- 过共晶铝硅 (和 > 12%) — 用于活塞和滑动应用，因为热膨胀非常低且磨损性能良好 (通常与镍/稀土合金化以降低脆性). 示例组合物: 铝硅12铜2镁 用于高温活塞合金.
3. Al-Cu 铸造合金 — 高强度和高温性能
冶金 & 表现
- 实力源自 al₂cu (Th) 老化时形成的沉淀物; Cu 可提高铸态和热处理强度以及高温下良好的抗蠕变性.
- 权衡: Cu 增加热脆性倾向, 凝固过程中的偏析和收缩; 铸造实践必须解决这些问题.
典型成分 & 用途
- 高铜铸造合金 (例如。, 铝-铜，含 3-10% 铜): 用于阀门, 座位, 以及在高温下需要热稳定性和机械强度的部件.
- 多成分强化 (添加锰, 毫克, ETC。) 可以产生复杂的分散体，提高强度和热加工性.
4. 铝镁铸造合金——耐腐蚀和轻量化
关键属性
- 镁 3–6 重量% 铸造变体产生 Al₃Mg2 相; 当正确处理时, 许多铝镁铸造合金具有优异的耐腐蚀性能 (特别是在海洋中, 氯化物的环境) 密度低于典型的铝硅铸造合金.
- 表面光洁度和氧化物质量很重要; 镁在熔化过程中容易氧化，因此熔化控制至关重要.
典型的应用
- 海洋组成部分, 浮力结构, 需要高比耐腐蚀性和中等强度的耐腐蚀外壳和轻质部件.
加工注意事项
- 使用受控气氛或助熔剂, 最大限度地减少湍流，以减少浮渣和氢气的吸收, 并常添加少量Si以改善铸造性.
5. Al – Zn (包括铝-锌-镁) 铸造合金——热处理后强度高
特征
- Zn (经常与镁搭配使用) 提供对固溶处理和时效反应良好的合金系统 (T6) 生产 非常高的屈服强度和拉伸强度.
- 铸态可制造性不太友好 (孔隙度和热撕裂倾向更大) 因此需要仔细的浇注和凝固控制.
应用领域
- 精确, 可接受铸后热处理的高强度零件——航空航天配件和一些精密仪器部件.
6. 比较铸造性和选择指南
| 合金族 | 可铸性 | 典型强度 (铸造 / T6) | 腐蚀 | 典型最佳用途 |
| al-是的 | 出色的 (最好的) | 中等→良好 (T6改善) | 良好 | 通用铸件, 发动机块, 住房, 车轮 |
| al-cu | 公平 → 具有挑战性 | 高的; 良好的高 T 强度 | 一般 | 发动机组件, 阀, 热加工零件 |
| Al – Mg | 一般 (需要熔体控制) | 一般 | 出色的 (海洋) | 海军陆战队, 轻的, 耐腐蚀零件 |
| Al – Zn / Al – Zn – Mg | 中等至较差的铸态; 热处理后效果更好 | T6之后非常高 | 多变的; 通常低于 Al-Mg | 精确, 老化后的高强度零件 |
7. 铸铝热处理——实用规则
热处理是将铸态铝显微组织转变为受控组织的主要工具, 可用状态.
用于铸造合金, 共同目标是:
(1) 通过固溶处理提高强度 + 淬火 + 老化 (T 治疗);
(2) 通过均质化减少偏析和化学不均匀性;
(3) 通过退火消除铸造应力并恢复延展性;
(4) 稳定微观结构，确保使用中的尺寸稳定性.
典型的治疗窗口 (实用参考)
(价值观是工程指导; 与合金供应商和产品标准核实确切的制度。)
| 治疗 | 典型温度 (°C) | 典型浸泡时间 | 典型的合金 / 笔记 |
| 同质化 | 420–520°C | 2–12 h (厚度相关) | 适用于大型铝-铜铸件和一些铝-硅高铜合金 |
| 解决方案处理 | 480–520°C | 1–6小时 (部分依赖) | 铝-硅-镁 (A356/A357): 〜495°C; Al-Cu 合金通常~495-505 °C |
| 淬火 | 水 (〜20–40°C) 或聚合物淬火 | 即时; 最大限度缩短熔炉和淬火之间的时间 | 淬灭强度对于 T6 响应至关重要; 重型截面需要淬火建模 |
人工衰老 (T6) |
150–185°C | 4–12 h (取决于合金 & 所需的属性) | A356 T6: 通常 160–180 °C，持续 4–8 小时; Al-Zn-Mg 合金各不相同——遵循规格 |
| 稳定 / T7 (超龄) | 170–200°C | 老化时间更长 (例如。, 8–24 小时) | 用于热稳定的场合 > 服务温度优先 (峰值强度较小, 更稳定) |
| 退火 / 压力缓解 | 300–400°C (低的) | 0.5–2 h | 用于延展性恢复和应力消除; 避免停留在西格玛形成范围内 (不适用于大多数铝) |
重要的: 浸泡时间与截面尺寸的关系. 使用热质量计算或供应商图表来确定特定铸件横截面的保持时间.
常见热处理缺陷及预防
- 溶液化不充分 (低温 / 短时间) → 可溶相溶解不完全; 导致老化反应较低和机械性能较差.
预防: 遵循根据切片尺寸调整的时间-温度曲线; 使用热电偶或模拟来验证浸泡. - 过度解决 (温度太高 / 时间太长) → 低熔点共晶相的初熔 (尤其是高铜合金) 和晶粒粗化.
预防: 遵守最大 T 并避免过热; 使用熔炉控制 & 图表. - 淬火裂纹 / 失真 → 淬火过程中温度梯度或约束过大.
预防: 设计装置, 对于大型零件使用分级淬火或聚合物淬火; 允许受控排热. - 服役年龄软化 → 如果使用接近老化温度, 发生过早软化.
预防: 选择T7/超龄状态, 或选择更热稳定的合金 (镍稳定化) 对于升高的 T. - 热处理后表面腐蚀 → 淬火盐或污染水的残留物会腐蚀铝.
预防: 立即彻底清洁 (去离子水), 中和淬灭盐, 并应用保护性转化或涂层.
合金系列的特殊考虑
- 铝-硅-镁 (例如。, A356/A357): 普通T6: 溶液〜495°C, 淬火, 年龄 160–180 °C.
易受孔隙度影响; 热处理可提高强度，但滞留气体会降低机械效率. - 铝铜合金: 需要对大型铸件进行均质化，以减少固溶前的偏析; 小心控制以避免低熔点成分的早期熔化.
- 铝锌镁合金: 对 T6 高度敏感，但对猝灭非常敏感; 如果时效/淬火顺序不当和存在残余应力，则存在应力腐蚀开裂的风险 - 控制杂质水平和应力消除.
- 铝镁合金: 许多都不是沉淀硬化的 (或仅最低限度); 热处理重点是退火/应力消除而不是 T6 强化.
8. 实用合金示例和应用匹配
- 一般结构, 可热处理铸件: A356/A357 (铝-硅-镁) — 发动机外壳, 齿轮, 车轮零件.
- 压铸结构件 (汽车): A380 / A319家族 (铝硅铜压铸件) — 泵壳, 变速箱箱, 轮毂.
- 高温活塞 / 低膨胀零件: 过共晶铝硅 (硅 12–18 重量%) 添加 Ni/RE — 活塞, 精密轴承.
- 海军陆战队 / 腐蚀关键: 铝镁铸造变体 (镁 3–6 重量%) — 海水配件和外壳.
- 高强度, 热处理零件: Al-Zn-Mg铸造合金 (接受T6治疗) — 需要高静态强度的精密部件.
9. 结论
铸造铝合金是一个多功能系列，可以在多种机械性能上进行调整, 通过明智的合金选择来提高热性能和耐腐蚀性能, 融化练习, 修改, 热处理和成型.
铝硅合金 是铸铝世界的支柱，因为它们将卓越的铸造性与良好的机械性能和热处理响应融为一体.
al-cu 和 Al – Zn 系统以牺牲可铸性为代价提供更高的强度和耐热性; Al – Mg 在耐腐蚀性和低密度至关重要的情况下，合金是不可替代的.
实现可靠的组件性能, 结合适当的合金选择 (使用公认的国际名称，例如 A356/A357, A319/A380, 铝硅12铜2镁 ETC。) 严格的杂质控制, Al-Si族的正确改性实践 (先生/娜) 以及正确的铸造/热处理路线.
常见问题解答
应用最广泛的铸造铝合金是什么?
A356.0 (Al系列) 是最常见的, 由于其均衡的铸造性，占全球铸铝产量的约 40%, 力量, 和耐腐蚀性.
哪种铸造铝合金最适合船舶应用?
535.0 (铝镁系列) 具有出色的耐海水腐蚀性能 (腐蚀速率 <0.005 mm/年) 和轻巧的特性, 使其成为船舶设备的理想选择.
铝铜合金可以用于复杂铸件吗?
否——Al-Cu合金铸造性较差 (流动性低, 高收缩) 并且不适合复杂的几何形状. 对于需要高强度的复杂零件使用A356.0或A380.0.
铝锌镁合金需要什么热处理?
铝锌镁合金 (例如。, 712.0) 需要T6热处理 (解决方案处理 + 人工衰老) 为了获得高强度——铸态强度太低 (～180兆帕) 并且不适合实际应用.
如何提高铝镁合金的铸造性能?
添加 0.5–1.0% Si 以形成共晶相, 增强流动性, 熔炼时采用惰性气体保护，防止Mg氧化.
