[科普中国]-铝铜合金

概述

Al-Cu类合金是工业上最早使用的铸铝合金。其主要性能特点是室温和高温力学性能高，铸造工艺简单，切削加工性能好，耐热性能优良，是发展含Cu高强度铝合金和各种耐热合金的基础。缺点是固溶体型合金的铸造性能差，富铜的 （ ）相与 （ ）基体间的电位差大，抗腐蚀性能低，密度较大。2

铝铜合金很坚硬，熔点是640℃，一般是由97%的铝和3%的铜组成。跟金属铝的化学性质相似。轻而抗张强度大。可代替昂贵的铜线为电线。1

铝铜铝合金可以制成板材、型材、锻件、线材、棒材、管材、箔材、航空航天结构件、焊条焊料、机械加工品、发动机活塞机轮等等。

分类铝铜二元合金铝铜二元合金的一个牌号是ZAICu10，代号为ZL202，成分为Cu质量分数=9.0%~11.0%，余为Al，铸态组织为 离异共晶。该合金熔炼简单，有一定的共晶体，铸造性能尚可，但不能热处理强化，仅能在铸态下使用，故而力学性能不高，在新的国家标准GB/T 1173一1995中已取消该标准。

铝铜二元合金的另一个牌号为ZAlCu4，代号为Z1203，成分为Cu质量分数=4.0%~5.0%，余为Al，铸态组织为 +少量的 组成。 有严重的晶内偏析，该合金由于含铜量较低，因此可以固溶化处理，在淬火加时效处理后，力学性能可大幅度提高。由于凝固区间很大，铸造性能差，常用作形状简单的承受中等载荷，在一定温度下工作的零件。

因为铝铜二元合金的抗腐蚀性能不好，所以，铝铜二元合金在工业上的应用并不多。

铝铜多元合金在ZL203合金的基础上加入少量的锰，即成为重要的耐热高强度铸造铝合金ZAlCu5Mn，代号为ZL201，成分（质量分数）为Cu为4.5%～5.3%，Mn为0.6%～1.0%，Ti为0.15%～0.35%，余为Al。铸态组织为 +晶界上分布着少量二元共晶 以及非平衡形成的三元共晶 组成。常用 代表。

Al—Cu—Mn三元合金在固溶化处理时，一方面，固态析出的三元共晶体中的 和 溶入 固溶体，另一方面，过饱和的Mn以二次 相呈弥散状析出；时效过程中， 呈弥散状析出。而二元共晶中的 相仍以断续的网状分布在 晶界上，此相的结构和结晶点阵十分复杂，400℃以下在 中的溶解度变化很小，使其在高温下稳定，不易聚集长大，又有很高的热硬性，是耐热铝合金中的较理想的强化相。2

铝铜合金典型制备工艺熔炼ZL201合金的工艺要点是：严格控制化学成分和杂质含量，防止产生钛偏析、沉底。为此应使用纯度较高的铝锭，回炉料不能超过60%，配料时要掌握准确的各元素的熔耗率，并验算铁、硅含量。防止和消除钛偏析的工艺措施如下。

（1）不允许使用成分不均匀、存在大片状 。或冶金质量差的 中间合金；配料时钛含量控制在0.15%～0.30%之间。

（2）熔炼时加强搅拌，尽量采用感应电炉熔炼。

（3）尽量缩短搅拌后到浇铸铸件时的保温时间，不要超过20～30min。

ZL201合金对杂质铁、硅很敏感，最好用石墨坩埚，投料前要清理干净、预热。

铜、锰、钛分别以Al一Cu、Al一Mn、Al一Ti中间合金形式加入，也可以用 加入钛。为了获得成分准确、冶金质量高的合金，常用二次熔炼法，先熔制预制合金锭，第二次快速熔化，调整成分后即进行浇铸。在熔炼工艺成熟，能准确控制合金成分，保证合金质量的条件下，可以省去预制合会锭。3

铝铜合金的制造铝—铜二元合金在制造上较其他铸铝合金为简单。

此种合金可以在坩埚，火焰反射炉和各种结构的电炉中熔炼。铝—铜合金不像铝—硅合金易于吸收气体，也不像含镁量高的合金易于氧化。

使用牌号A3及其以下的铝锭和3级(M3)的及其以’F的铜作为铝—铜合金的炉料。铜以铝—铜中间合金的状态加入铝—铜合金内。

含铜33%的铝铜共晶合金具有优良中间合金的一切性能：可以制成化学成分均一的易熔的（熔点540℃）和脆性大的合金。

但是，含铜50%的合金具有更大的优点。在低熔点（575℃）和足够的脆性时，此种合金是均—的。

铝—铜中间合金有三种可能制造方法：（1）混合熔融的铝和铜；（2）溶解铜于熔融的铝中；（3）溶解铝于熔融的铜中。在这三种方法中最实用的是第三种方法，因为此种方法很简单，并且保证中间合金的质量良好。

在熔融的铝中溶解铜的方法和混合熔融金属的方法，由于熔炼物强烈的过热而使中间合金易为非金属杂质所玷污。

往熔融的铝中加入预热的固体铜或熔融的铜， 由于铝—铜合金生成热的放散而促使温度显著升高。

将单独熔化的金属混合在一起，除了使合金过热之外，还会使生产过程复杂化，因为需要使用两台熔炉，坩埚等。但当在大型铸造车间内熔合大量中间合金时，此种方法有某些使用意义。采用此种方法时，单独在木炭复层下熔化铜和 分量的铝。将熔融的铜以细流注入熔融的铝中，另外分批地加入剩余部分固态铝，以便降低熔炼物的温度。

当固态铝在液态铜中溶解时，熔炼物的加热温度显著降低。这是由于铜的热容量和熔化潜热较该铜为高。

但是，使用这种力法时并不能避免该熔炼物局部过热的可能。为了避免局部过热，将铝加在熔池表面下的深处，而在液态铜中溶解。

溶解固态铜于熔融的铜中以制造Al—Cu中间合金的方法综述如下：将全部铜装入炉中，并加入全部炉料铝的10~15%，以便加速铜的熔化。随着铜的熔化逐渐少量地加入铝，将铝加入熔池的深处并在此时搅混熔炼物。铝锭应预热至150~200℃。待全部铝溶解之后，将合金冶却到700℃并用氯化锌进行精炼，除去熔渣并将制成的中间合金在680~700℃时浇铸于经过预热的锭模中。当中间合金在锭模中凝固时，用杓子取出表面所生成的薄膜，以便于金属凝固时从其中放出气体，并除去表面上的非金属污物。4