鋁硅二元合金具有簡單的共晶型相圖,如圖,室溫下只有α(Al)和p(Si)兩種相,α(Al)的性能和純鋁相似,β(Si)的性能和純硅相似。共晶合金的Si含量為12.6%,亞共晶合金的組織由α(Al)+共晶體()所組成,過共晶合金的組織由β(Si)+共晶體()所組成。由于結(jié)晶硅帶入微量磷,即使10ppm的磷生成AlP就足以使Si含量為9%的亞共晶合金中出現(xiàn)初晶硅,并使共晶硅形成粗大的板片狀。 Al+Si二元相圖
隨硅量的增加,結(jié)晶溫度區(qū)間變小,共晶體增加,流動性隨之提高。硅的收縮率很小,合金的線收縮率也隨之降低,熱裂傾向相應(yīng)減少;硅的結(jié)晶潛熱大,直至Si含量為20%處,流動性仍比共晶成分的合金高。含Si量為16%~18%時有流動性的峰值。共晶型AI-Si二元合金雖有優(yōu)良的鑄造性能,但由于力學(xué)性能不高,故只能用于壓鑄、擠壓鑄造等高速冷卻的鑄造方法;對于砂型鑄造,石膏型鑄造等冷卻速度慢的鑄造方法,必須進行變質(zhì)處理,細化共晶硅,以獲得足夠的力學(xué)性能。 細化共晶硅的變質(zhì)處理不能同時細化初晶硅,對于有大量初晶硅的過共晶合金,必須采用加磷細化初晶硅,提高力學(xué)性能。
含硅量對Al-Si二元合金耐磨、耐蝕、線膨脹系數(shù),密度、電導(dǎo)率等有影響。隨硅量的增加,磨損量、腐蝕量、線膨脹系數(shù)、密度、電導(dǎo)率均直線下降。 鋁的塑性大,切削時需消耗很大的功,隨硅量增加,共晶體增多,切削功可減小,但共晶硅硬度高,易磨損刀具,尤其是有粗大初晶硅的過共晶合金,刀具磨損更嚴重,被加工的表面很毛糙。為改善切削加工性能,除進行相應(yīng)的變質(zhì)處理,細化共晶硅、初晶硅外,可加入鉍、鉛等易切削元素;對過共晶合金可采用鑲嵌鉆石刀具,選擇最佳切削速度和合適的切削液等,也能獲得光潔的加工表面。 綜上所述,為了兼顧合金的各種服役性能和工藝性能,鋁硅類合金的含硅量一般為7%~12%。
Al-Si二元合金的代表是ZL102合金,成分為Si含量10%~13%,剩下的為鋁,金相組織為α(Al)+共晶體()及少量初晶硅。ZL102合金具有如下特點。 1)熱處理強化效果小,力學(xué)性能不高
577℃時硅在α(Al)固溶體中的溶解度為1.65%,室溫下降至0.05%。但熱處理強化效果不大,固溶處理后人工時效只能使合金強度提高10%~20%,因為硅的沉淀和集聚速度很快,甚至固溶處理時都可能發(fā)生固溶體分解,析出硅質(zhì)點,不形成共格或半共格的過渡相,因此一般只進行退火消除內(nèi)應(yīng)力。ZL102的力學(xué)性能不高。 2)鑄造性能優(yōu)良
近共晶的Al-Si二元合金的結(jié)晶溫度區(qū)間小,硅的結(jié)晶潛熱大,故流動性能為鑄鋁合金中之冠,集中縮孔傾向大,應(yīng)設(shè)置合理的冒口,能獲得致密的鑄件,直至破壞前不會引起滲漏,硅降低氫在鋁液凝固后的溶解度,如精煉不當,容易產(chǎn)生針孔。 3)耐磨性,抗蝕性,耐熱性好
Al-Si二元合金具有軟相α(Al)和硬相硅,是典型的耐磨組織,耐磨性好;α(Al)和共晶硅的電子電位相差不大,表面一層AlO,組織致密,對基體具有保護作用,因此耐蝕性好;ZL102合金的共晶溫度為577℃,高于其余鑄鋁合金,溫度升高時沒有強化相溶解或聚集現(xiàn)象,因此耐熱性最好。
4)必須進行變質(zhì)處理,提高力學(xué)性能
變質(zhì)前的力學(xué)性能低,切削加工性能差,必須進行變質(zhì)處理,使板片狀的共晶硅轉(zhuǎn)變?yōu)槔w維狀,并消除初晶硅,大幅度提高力學(xué)性能。
綜上所述,ZL102合金適用于壓鑄件或要求耐蝕、耐磨;承受中小載荷的薄壁、復(fù)雜鑄件如各種儀表的框架、亮體、基座等。