【文章內(nèi)容簡介】 含量的提高大大改善了合金的鑄造性能。在A356合金中，Si的質(zhì)量分?jǐn)?shù)在65%～%范圍內(nèi)，Si的含量偏上限(%)時，有利于提高流動性。文獻(xiàn)研究表明，5i相形態(tài)、大小、分布對力學(xué)性能的影響遠(yuǎn)大于枝晶的二次臂間距，Si相的形態(tài)對力學(xué)性能的影響與鑄鐵中的石墨相似，當(dāng)以針片狀存在時，可以看作是材料失效的裂紋源。通過改變Si相的形態(tài)，可大大提高合金的力學(xué)性能。232鎂 (Mg)的影響 鎂 (Mg)元素對形成Mg2Si強化相是必不可少的。Mg含量對A356合金的影響規(guī)律?？梢钥闯觯S著Mg含量的提高，合金的抗拉強度、屈服強度都會有所提高，而伸長率則降低。此外，Mg在熔化、除氣和變質(zhì)過程中，特別容易燒損，因此應(yīng)嚴(yán)格控制其含量和燒損量。Mg的質(zhì)量分?jǐn)?shù)的適宜值為025%～%。233鐵 (Fe)的影響 鐵 (Fe)在AlSi合金中一般作為有害元素。Fe含量對A356合金力學(xué)性能的影響?？梢钥闯?，F(xiàn)e含量增加，使合金的抗拉強度，屈服強度及伸長率，其中伸長率降低幅度很大，使鑄件變脆。其原因在于:AlSi合金中的鐵主要以β相 (Al9Fe2Si)形式出現(xiàn)，該相硬而且脆，往往以粗大的針狀穿過α相晶粒，削弱基體，降低合金的延長率和沖擊韌度，而且合金凝固愈慢時，β相長得愈粗大。 234 銅(Cu)、鋅(Zn)的影響銅 (Cu)會使A356合金的伸長率和耐蝕性降低。鋅 (Zn)也會降低合金的耐蝕性。因此，爐料中應(yīng)盡量避免Cu元素和Zn元素的混入，其含量應(yīng)控制在 ωCu02%，ωZn01%。235鉻 (Cr)對鐵相形態(tài)和A356合金性能的影響 鉻(Cr)加人主要是用于消除Fe的有害作用。為了考察鉻(Cr)對鐵相的作用，安排了ωCr=%、04%、06%三種Cr含量進(jìn)行試驗，其結(jié)果如圖29所示。Cr的加入便鐵相依次由針狀向漢字狀、塊狀、團狀轉(zhuǎn)變。分析其原因，主要由于Cr與Fe形成多元復(fù)雜相，改善了鐵相的形成與生成。為了進(jìn)一步探討其復(fù)雜相的組成，進(jìn)行了電子探針分析，由此可見，Cr的加入一方面消除了Fe的危害作用，另一方面又形成復(fù)雜耐熱相從而提高合金的高溫性能。當(dāng)Cr含量增加時，強度、伸長率同步提高，且伸長率提高幅度更大。此外，錳(Mn)、鉆 (Co)也常用于消除Fe的有害作用，但其作用不如Cr顯著。消除此有害作用的合金元素加人量可按如下的比例:ωMn:ωFe=():1，ωCo。:ωFe=09:l，ωCr:ωFe=035:1。綜上所述，在鋁合金生產(chǎn)中，由于熔煉設(shè)備和爐料會不可避免地帶入Fe，欲想去除它，不僅在工藝上是困難的，而且也極不經(jīng)濟，更何況鐵也有其有利的一面即可提高合金的高溫力學(xué)性能。因此，改變鐵相形態(tài)，降低 (甚至消除)其有害作用，充分利用其有利的一面，這比降低其含量更有實際意義，也更符合我國目前鋁合金中Fe含量難以降低的現(xiàn)狀。236稀土RE(La)對A356合金顯微組織和性能的影響 稀土在AlSi合金中的應(yīng)用主要是基于稀土元素對AlSi合金的變質(zhì)作用，見表25。除此之外，由于它的化學(xué)活性大，與硫、氧、氫、氮的親合力強，可消除這些雜質(zhì)的不利影響，如稀土與氫結(jié)合可減少針孔傾向、與Fe也能形成復(fù)雜相改善旺的不利作用?？傊?，加人稀土可改善材料的耐氧化性、耐高溫腐蝕性，細(xì)化結(jié)晶結(jié)構(gòu)，提高材料的力學(xué)性能和使用性能。 為了考察RE(La)加人量對A356合金的影響，安排了ωRE=%、04%、 06%三種RE加入量，進(jìn)行試驗，不同RE加人量對A356組織及力學(xué)性能的影響。 稀土為什么會產(chǎn)生如此效果呢?有關(guān)這方面的機理報導(dǎo)較少。但從稀土的特點出發(fā)分析發(fā)現(xiàn)，稀土是強過冷元素，對AlSi合金的變質(zhì)能力，其變質(zhì)能力大小與下列因素有關(guān): 1)變質(zhì)劑原子本身的特征，如電子層結(jié)構(gòu)、價電荷數(shù)、原子半徑以及原子序數(shù)等。當(dāng)繪出讕等元素的原子半徑 (r)與原子序數(shù)(z)的關(guān)系圖時，發(fā)現(xiàn)La系元素的變質(zhì)能力與其原子半徑有緊密聯(lián)系(見表25)，即隨著原子半徑由La的187A減少至Er的175A，其變質(zhì)能力迅速減弱。Eu變質(zhì)能力反常，正好與其半徑 ()反常跳躍一致，即可認(rèn)為La系元素原子半徑大于185A者為強變質(zhì)劑，介于185～182A之間者為中等變質(zhì)劑，而介于181～176A之間者為弱變質(zhì)劑，低于175A者則不具變質(zhì)能力。 2)冷卻速度。以La為代表，在其濃度相同的情況下，發(fā)現(xiàn)在以35～45℃/ min速度冷卻熔態(tài)試樣時，La即具有明顯的變質(zhì)效果。在70～80℃/min冷卻速度下，變質(zhì)效果尤為突出，而冷卻速度低于1OC/min即不再具有變質(zhì)能力。因此La變質(zhì)的冷卻速度最好不低于50℃/min。 3)稀土變質(zhì)有最佳值，據(jù)化學(xué)分析結(jié)果發(fā)現(xiàn)，合金開始變質(zhì)都在變質(zhì)劑的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為002%～003%左右，根據(jù)顯微結(jié)構(gòu)的觀察，最佳變質(zhì)濃度均在003%～004%超過此值。結(jié)構(gòu)中普遍出現(xiàn)三元金屬間化合物相，Eu以前的輕稀土元素生成的三元金屬間化合物普遍呈條狀，可能具有和Al2SiLa相同的化學(xué)式和結(jié)構(gòu)，而Eu之后的重稀土元素所形成的三元化合物則都呈多面體。此外，稀土對鐵相作用，則在于一方面與Fe形成復(fù)雜化合物，使鐵相團球化。另一方面由于稀土細(xì)化了α相，使針狀鐵相斷裂、裂化。有關(guān)稀土變質(zhì)的機理還有待進(jìn)一步探索。24 鋁合金車輪材料成分的快速分析 為保證鋁合金車輪的質(zhì)量，在整個制造過程中材料成分必須嚴(yán)格控制，如鋁合金材料人庫前的檢驗、鋁合金車輪鑄造時的爐前現(xiàn)場分析、車輪成品的材料成分合格性檢驗等。鋁合金車輪材料的成分分析主要有二種方法:化學(xué)分析及光譜分析。光譜分析的最大優(yōu)點是分析時間極短，分析成分時僅需15～20s，連同制樣時間只需5min左右。鋁合金車輪材料成分的爐前快速分析普遍采用金屬光譜分析儀。 常規(guī)光譜儀的光學(xué)系統(tǒng)采用光電倍增管探測器，每個待測元素都需要一個獨立的光電倍增管探測器，整個儀器體積大、光電倍增管的裝配要求高、價格貴。新型光譜儀的光學(xué)系統(tǒng)使用CCD檢測器，儀器體積小、分辨率好、價格便宜。例如英國ARUN(阿郎)公司生產(chǎn)的M2550型臺式金屬光譜分析儀采用CCD檢測器，非常適合現(xiàn)場有色金屬的快速分析，在車輪行業(yè)中有多家企業(yè)使用?，F(xiàn)將有關(guān)情況介紹如下: 1)主機系統(tǒng)非常小巧。采用恒溫的微型光學(xué)系統(tǒng)，焦距僅17Omm。帶氣動樣品夾緊裝置和小巧的樣品室。采用的4096像元線性CCD檢測器作為光譜接收系統(tǒng)，全譜接收，無通道限制。在波長范圍內(nèi)，只要有標(biāo)樣可隨時添加工作曲線，以提高分析精度。 2)光源頻率。采用10800Hz的可調(diào)整高能預(yù)燃激發(fā)光源，適應(yīng)多種基體的金屬材料。分析鋁合金用400Hz，峰電流可達(dá)200A。高能量對于高硅的激發(fā)有好處，所以該臺式金屬分析儀可以很好地分析高硅鋁合金。 3)采用全部固態(tài)電路的電子學(xué)系統(tǒng)，集成度高，故障率非常低，可靠性非常好。 4)不需外接穩(wěn)壓電源，設(shè)有內(nèi)置穩(wěn)壓板，適應(yīng)90～260V電源的自穩(wěn)壓，滿足分析程序所需電壓。 5)采用功率參數(shù)調(diào)整器技術(shù)，功率轉(zhuǎn)換效率達(dá)到95%以上。選用先進(jìn)的開關(guān)電源，抗干擾能力非常強，無需專用地線，無輔助間隙，省去了維護工作。 6)數(shù)據(jù)采集和處理是內(nèi)置PC104工業(yè)級微處理機系統(tǒng)，奔騰CPU，大于 330MHz,64M內(nèi)存，硬盤至少20G，144M標(biāo)準(zhǔn)軟驅(qū)，穩(wěn)定性好，運算速度快。并且采用了內(nèi)置1Oin(25cm)帶背光的彩色液晶觸摸控制屏，給操作者帶來極大的便利。 7)阿朗SPARCS分析軟件基于WINDOWS98，根據(jù)用戶要求預(yù)裝工廠校正曲線，配英國提供的校準(zhǔn)樣品。如果分析鋁合金，預(yù)裝Al200鋁合金和Al202純鋁共兩條工廠校正曲線。根據(jù)用戶對分析精度的不同要求，可以根據(jù)我國用戶自備的標(biāo)樣，建立專用牌號的工作曲線，滿足中國標(biāo)準(zhǔn)的分析精度指標(biāo)。加裝了中文軟件，顯示中文，方便中國用戶。 8)系統(tǒng)程序具有自動校正元素譜線間的干擾。激發(fā)控制系統(tǒng)自檢功能。用隨機校樣進(jìn)行的系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)化功能。用戶自備標(biāo)樣的牌號標(biāo)準(zhǔn)化功能。硬盤自動存儲分析結(jié)果并可分類檢索，可用軟盤隨時調(diào)用分析結(jié)果，并可以通過電子郵件遠(yuǎn)程調(diào)譜。 9)由于分析快速，大大節(jié)省了熔煉爐在成分分析時的等待時間，減少了合金元素在爐中的燒損，同時收到了節(jié)電的效果。 M2550型臺式金屬光譜分析儀每年可節(jié)省幾萬元運行費用。原因如下: 1)氫氣消耗量小，每分鐘僅消耗3L氫氣，每年可節(jié)省大量的材料消耗費用。 2)不需要專用地線，節(jié)省了實驗室建設(shè)的建設(shè)費用。不要外接穩(wěn)壓電源，節(jié)省了購買穩(wěn)壓電源的費用。 3)實驗室面積小，節(jié)省了廠房建設(shè)費用和維修費用。體積為56OmmX 480mmX3OOmm(長、寬、高)。儀器質(zhì)量僅23kg。加上顯示器，外接打印機，擺在一張稍大些的辦公桌上即可。 4)光譜儀穩(wěn)定性好，不用每天標(biāo)定，節(jié)省標(biāo)祥和工時，每年費用1萬元左右。 5)全譜接收，沒有出射狹縫，不需描跡，每天節(jié)省工時15～3Omin，節(jié)省人工費，也使操作者減少勞動強度。 6)光譜儀可隨時關(guān)機、開機，如果不是三班制，不需每天24小時開機，節(jié)省用電、節(jié)約氯氣和節(jié)省空調(diào)費。 7)光譜儀故障率極低，維護費用極低。
弟七章 鋁合金現(xiàn)代熔煉技術(shù)鋁合金對熔化條件極為敏感。熔融后，過熱與保溫的溫度和時間同鋁液質(zhì)量的關(guān)系極大。熔化過程中氣氛不適時，也會導(dǎo)致大量吸氣和熔渣生成。例如，在氧化氣氛中熔煉，金屬燒損過度，鋁液申形成大量熔渣，有可能污染金屬液。在還原氣氛中熔化時，將導(dǎo)致鋁液吸氫，鋁液澆注凝固后，造成鑄件疏松和氣孔缺陷。因此，兩種氣氛均不合適，而還原氣氛尤其有害。最好是在中性氣氛中熔煉。 熔煉中成分的控制也很重要。因為鋁合金的力學(xué)和物理性能與合金成分有關(guān)，同時，合金成分也影響鑄造和加工工藝。在冶煉過程中，F(xiàn)e、Cr、Mn元素可以化合成復(fù)雜的生成物，而這種化合物的硬度高，熔點也高，通常沉積在鋁液下部，形成熔渣，這種熔渣是鑄件硬質(zhì)點的來源之一，其危害是在加工中損壞復(fù)雜昂貴的刀具并造成大批工件尺寸誤差。為了防止這種硬質(zhì)點的生成，應(yīng)當(dāng)根據(jù)熔化條件 (保溫條件)計算熔渣系數(shù)。國內(nèi)外工廠生產(chǎn)經(jīng)驗證實并采用的計算公式如下: 即熔渣系數(shù)不超過175%時，可預(yù)防熔渣生成。 節(jié)能是降低鋁熔煉成本的重點，也是熔煉工藝的重點。盡管熔煉費用僅占鋁鑄件的8%～9%，但熔煉能耗在大型鋁鑄造廠 (車間)申占總能耗的40%左右。 純鉛的熔點為6587℃，比銅、鎳、鐵都低，但其比熱容和結(jié)晶潛熱比熱比銅、鎳都高得多，因此，當(dāng)達(dá)到熔融狀態(tài)時，所需的熱值大于鎳和銅，稍低于鐵。 用電加熱，熔化lkg的鋁合金的電耗為032kWh。如果用焦炭作燃料，燃料消耗質(zhì)量則相當(dāng)于金屬質(zhì)量的40%～50%。鋁合金熔化的理論平均能耗大約為116OkJ/kg，而工業(yè)生產(chǎn)中的實際消耗一般為2500～350OkJ/kg，有時甚至高達(dá) 4650kJ/kg。這說明:(1)提高熔鋁爐的熱效率對大量生產(chǎn)的汽車鋁鑄造車間意義很大。(2)提高鋁合金熔煉的熱效率，降低能耗，目前還大有潛力。 4變質(zhì)處理 A356合金必須變質(zhì)和細(xì)化，才能提高其強度，特別是提高伸長率和氣密性。當(dāng)前國際上通用的行之有效的方法是采用AlSr中間合金變質(zhì)、AlTiB中間合金細(xì)化。細(xì)化常在熔化爐中進(jìn)行，變質(zhì)常在保溫爐中進(jìn)行。變質(zhì)和細(xì)化處理后要進(jìn)行檢驗。 5調(diào)節(jié)溫度和澆注 一般情況下，變質(zhì)溫度高于澆注溫度。因而變質(zhì)或細(xì)化處理后，要調(diào)節(jié)溫度。一般AlSi和AlCu系合金，根據(jù)成分和鑄件結(jié)構(gòu)、壁厚的不同，澆注溫度控制在690～750℃，對于AlMg合金則低于700℃。澆注時扒凈液面上的渣子。對AlMg合金，于扒渣之后，要向液面上撒一層50%質(zhì)量分?jǐn)?shù)硫黃粉+50%質(zhì)量分?jǐn)?shù)硼酸的混合物，以防鋁液氧化。 若靜置時間過長，如大于2～3h，則要重新進(jìn)行精煉處理。鈉變質(zhì)后，要求在半小時內(nèi)澆注完畢，以防變質(zhì)失效。322直接熔煉法 國內(nèi)外熔煉鑄造鋁合金，基本上仍采用傳統(tǒng)的熔煉方法，即用預(yù)制合金或先熔制成中間合金再配制成熔煉所需要的合金成分。顯然，傳統(tǒng)熔煉法周期長、耗能高、金屬損失較大、費工時。而采用直接熔煉法 (也稱一次性熔煉)可以縮短熔煉周期，降低能耗，減少金屬損耗，提高勞動生產(chǎn)率。 直接熔煉法的特點是將各元素材料直接投料熔化，毋需預(yù)制中間合金。易氧化的金屬，如鎂，則在后期加。要求精心操作和良好地精煉。結(jié)晶硅塊約25mm,待A1形成溶池后，撒上覆蓋劑1%～2%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))，升溫至780℃保溫20～ 30min，再用攪拌工具攪拌，使難熔Si充分溶解，溫度過高會產(chǎn)生較嚴(yán)重的吸氣，全熔后加人余下的鋁，調(diào)整溫度于690～710℃壓鎂，最后精煉澆注。 具體熔煉工藝為: 1)加料順序Si(2/3～3/4)Al余AlMg。即先把硅塊加在己預(yù)熱發(fā)紅的柑蝸內(nèi)，再加2/3～3/4的Al，然后進(jìn)行快速熔化，待鋁基本熔化后，在其表面加上質(zhì)量為爐料質(zhì)量2%的覆蓋劑。當(dāng)鋁完全熔化，把熔體的溫度控制在780℃左右，對熔煉共晶或近共晶鋁硅合金而言，雖然硅的熔點比較高，但硅在鋁液中的溶解度比較大，在780℃時是不難熔化的。當(dāng)硅全部熔化后，加入余下的鋁以調(diào)整熔體溫度，使其在750℃左右，并加人金屬鎂。 2)熔煉溫度及熔煉時間:熔煉溫度若超過780℃，將造成鋁液過熱而吸收大量的氫氣。在latm條件下，100g鋁液，在700℃時含氫0l5mm3，在800℃時含氫045nm3，在90O℃時含氫148mm3。 熔煉時間過長，不僅費能費時，還可能增加熔體的吸氣量。所以在保證完全化合的前提下，時間愈短愈好。 3)熔煉的操作要求:當(dāng)熔體達(dá)到780℃左右，用充分預(yù)熱的攪拌棒 (最好是石墨的)把熔體下部的硅塊輕輕攪動，使其上浮至柑鍋上