铝铜类合金材料研究分析（模板）

李老师

                         网络教育学院
本 科 生 毕 业 论 文（设 计）
                                       




                                         
                                         
                                         
                                         
题    目：  铝铜类合金材料研究分析                           
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专    业：  机械设计及其自动化                    
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内容摘要

在工业生产中铝铜合金材料常因容易产生裂纹及分散缩松而给产品质量造成下降，本论文主要分析造成铝铜合金材料产生缺陷的原因，以及改进措施。论文首先讨论铝铜合金的制备工艺技术，进而对铝铜类特种合金性能进行分析，最后对铝合金热处理进行分析及总结。

关键词：铝铜合金材料 ；ZL205A性能分析

目     录
内容摘要        I
引    言        1
1  铝铜合金的制备工艺技术        3
1.1  杂质气孔缺陷对合金性能的影响        3
1.1.1  针孔        3
1.1.2  皮下气孔        3
1.1.3  单个大气孔        3
1.1.4  一次氧化夹杂的分类        4
1.2  铝合金净化的处理工艺分析        4
1.2.1  气体精炼剂        4
1.2.2  固体精炼剂        5
1.2.3  固体三气体精炼块        6
1.3  铝合金现代变质细化处理技术        6
2  铝铜类特种合金性能分析        8
2.1  铝铜合金成分、力学性能、组织、性能及用途        8
2.2  高强度AL-Cu合金        8
3  铝合金热处理分析及总结        10
3.1  铝合金热处理的目的和种类        10
3.1.1  热处理的目的        10
3.1.2  热处理的分类和用途        10
3.2  铝合金的热处理工艺        10
3.2.1  力学性能不合格        10
3.2.2  过烧        10
3.2.3  变型和裂纹        10
3.2.4  表面腐蚀        11
参考文献        12



引    言
ZL205A合金是我国自行研究的一种高强度铸造铝合金。它是采用高纯度的原材料，控制有害杂质的影响，并添加钛、锆、钒、硼等多种微量合金强化元素细化晶粒，添加镉控制其时效过程，并施以严格的热处理工艺而制得的，它是目前世界上抗拉强度最高的一种高强度铝合金。用它可实现以铝代钢，以铸代锻，减轻重量，提高飞行器及其它产品的性能，降低生产成本，缩短生产周期；推广优质铸造工艺，制作高难度铸件。近几年随着国防科技不断推陈出新，这也给金属材料方面提出了更高的要求，航空航天装备也在地新月异的不断更新，拥有质量轻，高强度，耐热，耐蚀，耐高温等特点，已是我国科技人员在不断创新的一条新思路，
    ZL205A材料正是在这一条件下，我们的科技人员研究的新产品。它具备了高强度，耐热性好，适合作为受力结构件如支架，挂架等。但密度大，铸造性能差、耐蚀性能差，给零件质量造成了很多影响，如零件产生开裂、缩松、气孔、外形不完整等等，这就要求我们在实际生产中仔细观察造成缺陷的原因，分析所造成原因的因素，提出合理准确的解决思路和方法，为合格零件和产品打下坚实的基础。
在分析问题时要求养成严谨，认真，求实的态度，积极进取不怕困难，敢于探寻真理，勇于攀登科技高峰。
铝在地壳中的蕴藏量极大，分布及广，具统计，地壳中铁占4.7%，铝占7.5%，比所有的有色金属总合还要多。铝的密度小，塑性好，具有良好的导电、导热性，表面有致密的氧化膜保护，抗蚀性能好。
纯铝中加入其他金属或非金属元素，能配置各种可供压力加工或铸造用的铝合金，具有比纯铝更为优异的铸造性能和实用性能，由于铝合金的密度小，故其比强度（抗拉强度除上密度），很高，远比灰铸铁、铜合金高。仅次于镁合金、钛合金。　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
　  纯铝的熔点为６６０．３７℃。随着杂质含量的增加，熔点下降。纯铝的沸点可达2467℃，当含有杂质时，沸点可能下降至2100℃左右。纯铝的浇注温度为700℃至750℃。流动性不好，铝的线收缩率是1.7%~1.8%，体收缩率是6.4%~6.6%，都较大，因此。纯铝的铸造性能差，容易产生热裂等铸造缺陷，很少用来浇注各种铸件。
    在纯铝中加入一些其它合金或非金属元素所熔制的合金，不仅仍能保持纯铝的基本性能，而且由于合金化的作用，使铝合金获得了良好的综合性能，铝合金的配制元素，主要有硅、铜、镁、锌以及稀土元素等。它们在铝中的加入量较大，能强烈影响铝的力学性能和物理、化学性能。现在铸造铝合金基本上都是由这几种元素和铝的合金化所派生出来的。国标中列有AL-Si、AL-Cu、AL-Mg、AL-Zn 4类26中牌号的铸造合金。                                                               
详细表格见GB/T 1173—1195
各类铸造铝合金的特点简述如下。
1．AL-Si类合金 （含Si≥ 5%）
此类合金通常成为硅铝明。它具有优良的铸造性能，如收缩率小、流动性好、气密性好和热裂倾向小等，经过变质处理后，还具有良好的力学性能、物理性能和切削加工性能，是铸造铝合金中品种最多、用量最大的合金。
2．AL-Cul类合金 （含Cu≥ 4%）
具有较好的室温和高温力学性能，主要作为耐热和高强度的铝合金应用。但铸造性能较差，流动性差，抗蚀性能差，线膨胀系数较大，此类合金大多作为耐热铝合金和高强度铝合金用。
3. AL-Mg类合金 （含Mg≥ 5%）
具有非常优异的抗蚀性能，力学性能高，加工表面光亮美观，密度是现有铝合金中最小的，但熔炼、铸造工艺比较复杂，耐热性差，除用作耐蚀合金外，是发展高强度铝合金的基础之一，也可作为装饰用品。
4．AL-Zn类合金
锌在铝中的溶解度非常大，当铝中加入的锌大于7%时，能显著提高合金的强度，它的最大优点不需要热处理就能是合金强化。但这种合金抗蚀性能差，有应力服饰倾向，铸造时容易产生热裂。主要用于制造形状复杂、受力较小的汽车、飞机、仪器零件。
5．AL-RE(混合稀土)类合金
高温强度高，热稳定性好可用于350℃—400℃温度下工作的零件。只是其室温力学性能较差，目前应用不多，也未列入国际标准。

1  铝铜合金的制备工艺技术
1.1  杂质气孔缺陷对合金性能的影响
1.1.1  针孔
针孔分布在整个铸件截面上，由于铝业中的气体夹杂含量过高、精炼效果差、铸件凝固速度低引起的。针孔可分为三种类型。
1.点状针孔  点状针孔由铸件凝固时析出的气泡形成，多发生于结晶温度范围小、补缩能力良好的铸件中，此类缺陷在显微组织中呈现点状，轮阔清晰切互不相连，能清点出为平方厘米面积上的针孔数目，并测得针孔的直径。这类针孔容易和缩孔、缩松相区别。
    2.网状针孔  此类合金在结晶温度宽的合金铸件中，缓慢凝固时析出的气体分布在晶界上及发达枝晶间隙中，此时结晶骨架已形成，补缩通道被堵塞，便在晶间上及枝晶间隙中形成网状针孔，此类缺陷伴有少数交大的孔洞，不应清点真空数目，难以测量针孔的直径，往往带有末梢。
3.混合型针孔  此类针孔点状针孔和网状针孔混杂在一起，常见于结构复杂、壁厚不均匀的铸件中。针孔越多铸件的力学性能越低，其抗蚀能力和表面质量越差。其中网状针孔割裂合金基体，危害性比点状针孔大。
故在平时铝液熔炼过程中应严格控制气体的进入，以及控制好湿度的影响，尽量提高铸件在浇铸过程中的浇铸时间，减少铝液在凝固过程中速度低所产生的针孔类缺陷。
1.1.2  皮下气孔
皮下气孔产生于铸件表皮底下，由于铝液和铸型中水分反应产生气体所造成，一般和铝液质量无关。
1.1.3  单个大气孔
产生于铸件设计工艺不合理，如铸型或型芯排气不畅，或者由于操作不小心，如浇铸时堵住排气孔，在型腔中的气体被憋在铸件中所引起，也和铝液的纯净度无关。
浇铸前铝液中存在的氧化夹杂成为一次氧化夹杂，总量约占铝液质量的0.002%～0.02%，在铸件中分布没有规律，浇铸过程中产生的氧化夹杂成为二次氧化夹杂，多分布在铸件的拐角处和最后凝固的部位。
1.1.4  一次氧化夹杂的分类
1.第一类是分布不均匀的大块夹杂物质，它的危害性很大，使合金体不连续，引起铸件渗漏或成为腐蚀的原因，明显降低了逐渐的力学性能。
2.第二类夹杂呈弥散状，这类氧化夹杂很难在精炼时彻底清除。在显微组织下不易被发现，铸件凝固时成为气泡的形核基体，生成针孔。
铸件在工艺设计过程中应先考虑气体的排出方向顺序，及在精炼处理当中的环节监控，做到细心，认真的工作态度。还应考虑铝液源头的质量控制，坚决杜绝不合格铝锭在工业生产中应用。
1.2  铝合金净化的处理工艺分析
1.2.1  气体精炼剂
1.通氩精炼
工业用氩气瓶中含氧量较低，在0.005％～0.05％之间，精炼温度允许控制提到760℃。氩的密度为1.78㎏∕m3,高于氧的密度1.25㎏∕m3,通氩气精炼时，密度较大的氩气富集在铝熔池表面，能保护铝液防止和炉气反应，故净化效果好。对原始质量较好的铝锭，如加大炉料，净化效果和六氯乙烷C2CL6相近，而对于质量较差的炉料，如回炉料，有时其净化效果还忧郁六氯乙烷。
AL-Si合金加锶变质后，如用氯盐精炼，生成SrCl2 ，变质失败，此时必须通氯精炼。操作上变质、精炼可以同步进行，精炼时氯气泡对铝液起搅动作用，加速变质元素的扩散，从而缩短锶变质的潜伏期，提高生产率。通氯精炼和锶变质相配合，能获得纯净的铝液和正常的变质组织。合金的密度高于不同步、先精炼后变质工艺所获得的和紧密度。惰性气体中除了氩、氦、氖、氪、氙外，都有类似的净化效果，但以氩气的价格最为便宜，也为工人所喜用，并且资源丰富。
2.通氯精炼
氯气不溶于铝液中，但能和铝液及溶于铝液内的氢产生剧烈反应
           3CL2+2AL→2ALCL3            △ =-532.07KJ∕mol
CL2+H2→HCL                 △ =-238.90KJ∕mol
反应生成物 HCL (沸点-85℃)、ALCL3 (沸点183℃)都呈气态，且不溶于铝液，和未参加反应的氯均能起精炼作用，因此净化效果比通氮气甚至通氩气明显。
    工业用氯气瓶中常参有水分，影响净化效果。精炼使用的氯气含水量应控制在0.008％以下。随着使用时间的推移，氯气瓶中的含水量将逐渐增加，最终可增加一倍以上，在生产中必须注意，氯气是有剧毒的，通氯气装置应安放在密封的房间内，以防泄漏。熔炉、坩埚上方应安装通风和净化装置。
通氯的净化效果虽好，但氯气对人体有害，通氯设备复杂，泄漏的氯气严重腐蚀厂房、设备。其次，通氯后引起合金的晶粒粗大，降低力学性能，故生产中极少采用，已改用氮-氯联合精炼工艺；先通氯，再通氮，以净化通氯管道、设备，保护厂方及设备，改善劳动条件。也可用N2 90％ +CL2 10％的混合气体进行精炼，切能获得良好的净化效果。
3.三气混合气精炼
三种气体是CL2、CO、N2，配比为15:11:74，经过混合后吹入铝液中，与铝液发生下列反应
                          2AL2O3+6CL2→ 4ALCL3+3O2
                              3O2+6CO→ 6CO2
                       AL2O3+3CL2+3CO→ 2ALCL3+3CO2
    在混合气体中CL2被稀释，有可能来得及全部参与反应，生成ALCL3及N2起精炼作用，CO2和铝液继续发生反应，生成AL2O3、C，精炼后趋向平衡，微量的C有可能细化晶粒。因此在三气混合净化效果与使用C2CL6的相当，而精炼时间可缩短近一半，污染程度减轻。它的缺点在于要配置一套较复杂的三气发生装置及输送管道。
1.2.2  固体精炼剂
常用的有氯盐、氯化锌、氯化锰、六氯乙烷、四氯化碳、四氯化钛等。
氯盐精炼时和铝发生下列反应
                         nAl+3MeCLn→ nALCL3+3Me
式中，Me为各种金属的代号。反应产生物ALCL3即起精炼作用。氯盐精炼的优点是省去理了一整套气体发生装置和输送管道；其次，ALCL3的毒气比氯气小很多。
固体无公害精炼剂主要成分为煤粉和硝酸盐，压制成块并放入铝液中，发生下列反应
                         4NaNO3+3C→ 2Na2NO3+N2+3CO3
生成的N2即起精炼作用。CO2在铝液中也能生成AL2O3,但由于上浮速度较快，故氧化程度较轻。精炼时由于反应产物无臭无味，为工人所喜用，缺点是没有氯、氟等有效成分，净化效果欠理想，无公害精炼剂价格便宜，适用于不重要的中、小型铝铸件。
1.2.3  固体三气体精炼块
在无公害的精炼剂的基础上，加适量的C2CL6组成三气精炼块，将在铝液内生成ALCL3、C2CL4、N2、及CO2。反应产物通过填充剂的空隙溢出，形成的气泡较小，在铝液内的上浮时间较长，使C2CL6反应较完全，提高C2CL6的利用率，净化效果优于无公害精炼剂，反应产物中除C2CL4外无臭无味，能用于较重要的铝铸件。缺点是原料烘干不彻底，压块前搅拌不均匀时，净化效果不稳定。生产实践证明，最有效的精炼方法通常只能使铸件的针孔等级改善1－2级，但如不注意以防为主，会使铝液纯净度大大降低，采取最好的精炼工艺也难以彻底清除气体和氧化夹杂。
    正确运用防、排、溶、三套工艺，严格遵守“以防为主”的原则，必须落实到具体的熔炼、铸造工艺操作上，只有熔炼操作基本功过硬，才能全面、正确地贯彻这些原则。熔炼操作基本功包括：熔炼设备、熔炼工具的准备和精心处理，精炼剂、变质剂、覆盖剂的细心预熔、烘干，正确的搅拌、扒渣操作和小心浇铸等。
1.3  铝合金现代变质细化处理技术
合金性能由合金的金相组织所决定，金相组织有合金成分、冷却速度、凝固时外加力场。所决定。通过调节、控制上述各个因素，能获得多种多样符合技术条件要求的金相组织，变质处理是常用的组织控制手段，在合金成分、冷却速度、凝固时外加力场不变的条件下，在铝液中加入少量添加剂，是金相组织发生明显变化，获得理想的合金组织。
变质处理大致可分为三类，第一类是晶粒细化处理，主要用来细化固溶体合金金的 （AL）晶粒，AL-Cu类、AL-Mg类合金应用较普遍；第二类是共晶体变质，用来改变共晶体的组织，广泛应用于AL-Si类共晶合金；第三类是改善杂质相的组织或消除易熔杂质相，如加铍、锰等改变粗大的金相组织。下面主要介绍铝铜合金的晶粒细化处理。
常见的晶粒细化剂有钛、硼、锆等，以中间合金或盐类形式加入铝液中，细化剂的加入量和合金的种类有关、成分、加入量、熔炼温度、浇铸时间等有关，以固溶体型合金ZL205A为例，以中间合金形式AL-Ti、AL-B加入的最佳量分别为Ti0.10℅～0.30℅、B0.02℅～0.04℅。共晶型合金如ZL101因 （AL）初晶数量比ZL201合金少，加入量酌量减少。当把钛和硼以（5～6）：1 的比例同时加入，加入量可降低4～5倍并能延缓衰退现象。加入量过大或熔炼、浇铸时间过长，TiAL3 逐渐聚集，由于其密度3.7 g∕cm3,比铝液大，因此积聚在熔池底部，丧失细化能力，产生衰退现象。
影响细化效果的因素有一下几点：
最佳含磷量和许多工艺因素有关，如处理温度高、浇铸温度高、合金成分、孕育时间等，应通过实验确定最佳含磷量的加入范围。低于最佳值，则细化不足，过量则会使初晶硅粗化。
处理温度  ALP的熔点高于1000℃，处理温度过低ALP在铝液中凝聚成团，随着温度下降，逐渐失去细化作用，处理温度一般高于合金液相120-150℃，已有细化效果。处理温度过高，将增加气体和夹杂物的含量。
浇铸时间  经细化处理的铝液在800-900℃高温下长期保温，细化效果会因ALP逐渐凝聚而衰退，在浇铸时间长的条件下，发现细化效果衰退后应用C2CL6反复精炼，在精炼的同时打散聚集的ALP，从新获得细化效果。
精炼剂在精炼过程中应注意严格辨别精炼剂的种类用途及对工人健康的危害程度，认真学习各种精炼剂的成分配方，熟练地应用于实际工作当中，做到环保高效。一般企业当中经常性采用氩气来精炼，因为无论是在成本还是危害性方面，氩气都远远优于氯气以及其他几种精炼方法，当今在绿色环保概念下，人们更喜欢简单高效卫生的精炼方法。


2  铝铜类特种合金性能分析
2.1  铝铜合金成分、力学性能、组织、性能及用途
本部分介绍：
1. 含铜量对AL-Cu二元合金力学性能。
2. 高强度AL-Cu合金性能
1000字符左右，写好后，本段黄色底色提示文字请删去。
Cu在 固溶体的溶解度在二元共晶温度（548℃）时约为5.65℅，而在室温时则降至0.1℅以下。AL-Cu二元合金中只有 固溶体 （CuAL2）两个相； 和 在33.2℅Cu处形成二元共晶合金（a+ CuAL2）。Cu在 固溶体中的溶解度随温度的下降而显著降低，所以这种合金能进行固溶化处理。实验表明:含Cu量为4.5-5.5℅的合金在淬火组织中会有残余脆性相CuAL2出现，而且含Cu愈多，合金组织中CuAL2就愈多，因而使处理强化效果降低，所以当含Cu量超过7℅时，合金通常都在铸太下使用。
当含Cu量在5.0-6.0℅时，抗拉强度达到最大值，而伸长率则有所下降；当含铜量大于6.0℅时，抗拉强度和伸长率都急剧下降。AL-Cu合金的铸造性能较差，特别是热裂倾向较大。这是由于它的结晶温度范围比AL-Si类合金要大，有严重的疏松倾向，而它从液态到固态的收缩率也较AL-Si类合金要大，同时共晶体中CuAL2在熔点附近塑性很低，收缩时易被拉裂，因而容易形成热裂。随着含Cu量的增加，合金的铸造性能明显改善。但随着含Cu量提高，合金的力学性能明显降低。加上AL-Cu合金中CuAL2相与 固溶体之间有显著的电位差，合金的耐蚀性能也不好。所以，AL-Cu二元合金在一般场合不太应用。但在AL-Cu合金中加入Mn、Ti、Ni、Cd、Ce等元素，可以获得各种高强度和耐热铸铝合金。
2.2  高强度AL-Cu合金
Mn属于过度族元素，具有不完全的外电子层，Mn原子进入 点阵后即引起电子的从新分配，显著增加了原子间的结合力，阻碍了原子的扩散。在AL-Cu合金中加入0.6-1.0℅Mn后，不仅提高了室温力学性能，而且大大提高了高温力学性能。加Mn的合金，在300℃温度下经100h的抗拉强度对比不加Mn的含量要高2,3倍。
当含Mn量超过1℅时，合金的耐热性虽还有提高，但组织中不溶的T（Cu2Mn3AL20）相增多，晶粒尺寸也增大，使合金变脆，室温抗拉强度也将下降。Mn量过高，还易引起Mn的偏析而使力学性能下降，所以含Mn量最好控制在0.8℅-0.9℅左右。
合金中含有少量的Ti时可使组织得到显著的细化，从而使CuAL2和T相在热处理时能更充分地溶解，分布更均匀，充分发它的阻碍晶间滑移的作用，提高强化效果。Ti的加入量以0.2℅-0.25℅为佳。Ti量过少不能使组织细化，过多则熔炼过程将产生Ti的偏析。
综上所述：ZL205A合金的力学性能相当高，砂型铸造经        T6处理，室温力学性能可以达到 =467MPa， =3℅布氏硬度140HBS.可用作承受较大的动载荷和静载荷的零件，亦可用于300℃一下温度工作的零件。而且此合金在低温（-70℃）时仍保持良好的力学性能，是用途很广的一种合金。

3  铝合金热处理分析及总结
3.1  铝合金热处理的目的和种类
铝合金在铸态下往往不能满足使用要求，所以除AL-Si系的ZL102、AL-Mg系的ZL302和AL-Zn系的ZL401合金外，都要通过热处理进一步提到铸件的力学性能和其他使用性能。
3.1.1  热处理的目的
1.充分提高铸件的力学性能，保证一定的塑性，提高合金的抗拉强度和硬度，改善合金的切削加工性能等；
2.消除由于铸件壁厚不均匀、快速冷却等所造成的内应力；
3.稳定铸件的尺寸和组织，防止和消除因高温引起相变产生体积胀大现象；
4.消除偏析和针状组织，改善合金的组织和力学性能。
3.1.2  热处理的分类和用途
按照章节题目的提示自行添加内容。填好后请删除本段提示文字。
3.2  铝合金的热处理工艺
按照章节题目的提示自行添加内容。填好后请删除本段提示文字。
3.2.1  力学性能不合格
按照章节题目的提示自行添加内容。填好后请删除本段提示文字。
3.2.2  过烧
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3.2.3  变型和裂纹
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3.2.4  表面腐蚀
按照章节题目的提示自行添加内容。填好后请删除本段提示文字。

参考文献
[1]于永泗∕齐民.机械工程材料（第七版）.大连理工大学出版社，2007年二月
[2]张完善.有色金属材料.第二版.大连：金属工业出版社，1998.89-90.
[3]司乃潮∕傅明喜.有色金属材料及制备.化学工业出版社2006.01