就会向气泡核心扩散，使气泡不断长大并上浮析出。

在铝液脱氢过程中，决定脱氢速度的限制环节是氢在铝液中的扩散速度。氧化夹杂的存在明显降低氢的扩散系数，铝液表面氧化膜组织致密，是氢气泡逸出和氢蒸发的屏障。铝液内部过量的氧化夹杂，可能包覆在气泡表面，致使氢气渗入气泡的扩散受阻。由此可见，铝液中氢气含量与夹杂物含量有密切的关系。在含氢量相同的条件下，夹杂物的含量越高，针孔率越高。

2.铝合金液的氧化 · 铝液与炉气的反应

熔炼时铝液与炉气中诸成分（O2、CO2、CO、H2O）接触时均产生氧化反应，反应产物Al2O3化学稳定性极高，是铝铸件中的主要氧化夹杂物。

· 铝液中的夹杂物

在浇注前已在铝液中存在的氧化夹杂物称为一次氧化夹杂，它在铸件中分布无规律；在浇注或转包过程中形成的氧化夹杂物成为二次氧化夹渣，大多分布在铸件壁的转角处或最后凝固的部位。

一次氧化夹杂按形态可分为二类：①分布不匀的大块夹杂物，它残留在铸件中，易引起渗漏，降低力学性能；②弥散状分布的夹杂，平均尺寸<5μm的微细氧化物质点，大部分悬浮在铝液中，铸件凝固时可成为气泡的形核基底，促使铸件产生气孔，这类夹杂物精练时较难彻底清除。

生产上在铝合金铸件的夹杂物缺陷中，氧化薄膜占压倒多数，在合金熔化、搅拌、铝液处理、转包和浇注过程中由于铝液的运动，每当形成新生的界面时就会形成氧化膜，特别是转包时更为明显。

铝液中除上述氧化膜和块状、粒状氧化夹杂外，还有碳化物类、硼化物类、卤化物类和金属间化合物夹杂，他们分别来源于合金熔化和熔体处理时使用的各类熔剂和崩落的筑炉耐火材料与Al液的反应产物。

3.铝液的除气精练

要减少铝液中的氢气和夹杂物，获得洁净的合金熔体可从三方面着手解决：①“防”，防止水分进入熔炉内（最大限度清除炉料、熔剂、工具和熔炉等所附着的水分），防止合金熔炼时吸氢和氧化；②“排”，排除已进入铝液中的氢气和氧化夹杂物；③“溶”，加大凝固时的压力或采用快速凝固的方法。

生产上常采用精练方法特点：（1）吸附精练：①浮游法（通N2、Ar、Cl2、氯盐、无毒精练剂）；②溶剂法（覆盖剂、精练用熔剂）；③过滤法精练。（2）非吸附精练（真空精练、振动去气除渣处理）。

4.铝合金熔体的细化、变质处理

对于Al-Cu系、Al-Mg系、Al-Zn系等固溶体型合金，为防止产生铸造裂纹，提高力学性能，一般都需进行细化处理，以使α（Al）固溶体的晶粒细化；对Al-Si系合金一般也常对其进行α（Al）晶粒细化处理。

对广泛使用的Al-Si系合金的亚共晶和共晶型合金，其组织中共晶体（α+Si）中的硅呈粗大的针状或板板，显著降低合金的强度和塑性，为此需对其进行变质处理，使共晶硅的晶粒变成细粒状；对于过共晶成分的Al-Si合金，组织中存在着大块多边形初生Si和板片

- 21 -

状共晶Si，恶化力学性能，为此需对其进行变质处理，使初生Si得到细化。

· α（Al）晶粒细化处理：①常用中间合金形式加入（Al-Ti、Al-B、Al-Ti-B等）使其产生大量的TiAl3、AlB2、TiB2等微粒，它们熔点较高，且晶格数与α（Al）固溶体的很相近，可作为异质核心抑制树枝状初生α（Al）晶粒的长大；②盐类形式加入（含有很强晶粒细化作用的Ti、B、Zr等元素的氟钛酸钾、氟硼酸钾、氟、锆酸钾等盐类物质）加入铝液发生发应，生成TiAl3、AlB2、TiB2、TiC、B4C、ZrAl3等微粒起晶粒细化作用。

· 共晶Si变质处理：①钠盐变质处理的特点（变质剂种类多，变质效果好、成本低，但存在衰退、腐蚀铁坩埚和吸湿问题）；②锶变质处理的特点（采用含5％或10％Sr的Al-Sr合金，长效变质，使用上注意的问题）；③其它变质剂（Sb、RE）。

· 过共晶Al-Si合金的变质处理：①采用磷变质剂，在熔体中磷与铝化合形成难熔的AlP小颗粒，其晶体结构与硅相似，可作为初生硅晶体的异质晶核；②变质工艺有三类——磷铜中间合金、含赤磷的盐类混合物和不含赤磷的盐类复合变质剂。③影响其变质效果的有关因素。

5.铝液质量的检测方法 气体含量测定、氧化夹杂物的检测、细化和变质处理效果的评价。

思考题

1.简述Al-Si、Al-Cu、Al-Mg和Al-Zn系铸造合金的主要特点及其用途。 2.以ZL102合金为例，分析其组织形态在变质处理前后的变化。 3.试分析亚共晶和过共晶Al-Si合金变质剂及其处理工艺特点。

4.为什么铸造铝合金铸件容易产生气（针）孔缺陷？如何防止此种缺陷的产生？ 5.铝合金氧化夹杂物的来源是什么？常用的精炼措施有哪些？ 6.试分析ZL101合金T6热处理的工艺及其目的。

7.试分析亚共晶Al-Si合金种常用的细化剂种类及细化处理工艺要点。 8.提高Al-Si系合金力学性能有哪些途径？试举例说明之。

3.2铸造铜合金

培训提纲

3.2.1铸造铜合金的分类及其特点

1.纯铜及高铜合金

铸造纯铜具有很高的导电、导热性能和优良的耐蚀性、良好的力学性能。常用于制造高炉风口、结晶器和接线金具等。为改善纯铜的熔铸工艺性、耐热性和抗氧化性能，添加某些微量元素（如P、Sn、Zn、Mg、Fe、B、RE等）组成高铜合金，其用途和金属光泽与纯铜相近。

2.黄铜

以锌为主要合金元素的铜合金称为黄铜，其中按锌以外的次主要元素区分为铝黄铜、硅黄铜、锰黄铜和铅黄铜等。

黄铜结晶温度范围小，铸造性能好，锌的沸点低，有自发的除气作用，合金成本较低，力学性能比锡青铜高，应用广泛。

3.青铜

- 22 -

不以锌为主要合金元素的铜合金称为青铜：①以锡为主要合金元素的称为锡青铜；②不含锡而以铝为主要合金元素的称为铝青铜，以铅为主要合金元素的为铅青铜，其它尚有铍青铜、镍青铜（又称白铜）。

锡青铜是历史上最悠久的铸造合金，主要用作艺术铸造和轴承合金。无锡青铜是近代发展起来的新型青铜，它采用铝等元素代替昂贵的锡，同时使锡青铜某些性能得到进一步改善。青铜的最大优点是具有很好的耐磨性，并且在蒸汽、海水及碱溶液中有很高的耐腐蚀性能。其次，青铜的熔点较低，铸造性能较好，并且具有较好的机械性能。如锡青铜ZCuSn5Pb5Zn5合金，其耐磨性和耐蚀性好，易加工，铸造性能和气密性好，适用于较高负荷，中等滑动速度下工作的耐磨、耐蚀零件（轴瓦、涡轮等）。 3.2.2 青铜的组织、性能特点

1.锡青铜 · Cu-Sn二元合金组织 铸态组织为由树枝晶α和共析体α+δ组成。δ相以硬的质点镶嵌于软的α基体中，使锡青铜具有良好的耐磨性能。合金表面形成一层致密的SnO2薄膜，使其具有良好的耐蚀性能。

锡青铜的结晶温度范围很宽（不平衡凝固时在200℃以上），呈糊状凝固，枝晶发达，凝固速度较慢时，易形成缩松，导致铸件渗漏。反偏析是锡青铜铜件常见的缺陷，铸件表面渗出灰白色颗粒状的富锡分泌物（称“冒锡汗”）。降低力学性能，且使组织更加疏松，且恶化切削加工性能。

· 多元锡青铜 为节约锡的用量，改善二元锡青铜的性能，可添加Zn、Pb、P、Ni等组成各种多元锡青铜。如ZCuSn10Zn2合金，由于Zn缩小了结晶温度范围，减轻了缩松倾向，提高了充型和补缩能力，铸件致密性较高。

2.铸造铝青铜

· Cu-Al二元合金组织

一般含Al量在≤10％，铸态组织（在缓慢冷却条件下）硬而脆的γ2相呈网状分布在α相晶界析出，使合金发脆，称“缓冷脆性”，这是铝青铜特有的一种缺陷，解决措施：①加快冷却速度；②加入适量Fe、Mn等合金元素，增加β相的稳定性，不使β相分解析出γ2相；③加入Ni，以扩大α相区，消除β相。

铝青铜的结晶温度范围很小，约30℃左右，属于层状凝固，流动性好，组织致密，但体收缩大，容易形成集中缩孔。

熔炼铝青铜时，铝易形成Al2O3悬浮夹渣，浇注时也易形成二次氧化渣，很难从铜液中去除，拟采用精炼处理，除渣除气，设计浇注系统时，设置严密的挡渣系统，以防氧化物进入铸件。此外，在熔炼时，因铝青铜的蒸气压比黄铜和锡青铜都低，吸气倾向大，但因铜液表面有一层Al2O3薄膜覆盖，能起到保护作用，故熔炼合金时不拟过多搅拌铜液。

· 多元铝青铜

常用的铸造铝青铜是在二元铝青铜的基础上添加Fe、Mn、Ni等元素，形成多元铝青铜。如ZCuAl9Mn2铝青铜（称9-2铝青铜），添加Mn的作用是：①提高β相稳定性，降低β相共析转变温度，使共析体细化，消除“缓冷脆性”；②溶入α（Cu）中强化合金，而塑性降低不多。

9-2铝青铜的耐蚀性和耐磨性都较好，铸造性能好，适合用于耐蚀、耐磨零件、形状简

- 23 -

单的大型铸件和250℃以下的管配件及要求气密性高的铸件。 3.2.3 铸造铜合金的熔炼特点

1.铜合金的氧化和脱氧

·氧化亚铜（Cu2O）的特性 熔炼时，氧在铜液中的溶解度很小，大部分与铜生成Cu2O，并溶解于铜液，此处Cu2O有两个特点：①Cu2O和Cu在1066℃时形成α+Cu2O粒状共晶体分布于晶界。纯铜、锡青铜、铅青铜等脱氧不彻底时，组织中会出现α+Cu2O共晶体，引起热脆；如吸入氢气，则Cu2O与H2反应生成水汽，凝固后在铸件中易生成气孔。含有Cu2O的铜铸件若在还原性气氛中进行热处理，则氢将渗入α相的晶界，生成的水汽会导致晶界显微裂纹的产生；②Cu2O有很高的分解压力、与氧的亲和力小。熔炼时如在脱氧消除Cu2O之前加入Al、Si合金元素，则形成弥散状的Al2O3、SiO2，悬浮在铜液中，难以消除。

· 铜液的脱氧 ①沉淀脱氧（加P-Cu脱氧，应用广泛）；②扩散脱氧（加脱氧溶剂）；③沸腾脱氧。

2.铜液的吸气、除气

· 气体的溶解特性：①铜液与炉气中各组分之间作用不一，N2呈中性，不溶于铜液；O2、H2O使铜液氧化；H2、O2、SO2等能溶入铜液。②氢在铜液中的溶解很大并随温度的升高急剧升高，冷却时溶解度下降，呈气泡形式析出，易残留在铸件中形成气孔；③铜液中的氢除了直接来自燃料、炉料外，主要是由水汽分解产生的，高温下水汽与铜液反应产生氢。

· 铜液的除气：①氧化法除氢原理，当熔炼温度、炉膛压力不变，炉气中水汽浓度一定时，K＝[H]2[O]，铜液的脱氧和除氢是互相制约的过程，要除氢，就需要铜液先增氧；②铜液增氧方法；③沸腾法除氢（一般黄铜采用此法）。

3.铜合金的溶剂

· 常用的覆盖剂（木炭、玻璃等），以防熔炼时铜液氧化和保温。

· 精练溶剂以清除Al2O3、SiO2、SnO2等弥散分布在铜液中的不溶性氧化夹杂。 4.铜合金液炉前检验 气体含量的检查、弯角及断口检查、成分分析、温度检测与控制。

思考题

1.锡青铜和铅青铜铸造性能的特点有何不同？为什么？ 2.铸造黄铜与铸造青铜相比主要区别有哪些？

3.铸造锡青铜铸件为什么有时会出现“缓冷脆性”？如何防止？ 4.何谓锌当量系数、锌当量？它有什么用途？

5.为什么铸造铜合金熔炼时一般都需要脱氧？常用哪几种脱氧方法？ 6.锡青铜的熔炼原则是什么？它和铝青铜、黄铜有什么区别？ 7.如何对铜合金熔体质量进行控制？

8.用燃烧炉熔炼铜合金一般将炉气控制为何气氛（还原性、氧化性或其它）？为什么？

3.3 其他铸造合金

培训提纲

- 24 -