压铸铝合金的研究进展

锦宏峰与您一起学习

近些年来车辆、航空航天及it行业的蓬勃发展，对轻量、高耐磨及耐腐蚀性的铸造件明确提出更高要求。对于铝合金零部件，高韧性、高耐磨、耐腐蚀合金、形变合金加工的成型及大中型繁杂合金零部件的成型加工工艺已经成为轻量合金的研究重点。但现在大部分铸造铝合金结构力学性能在铸态下多见低抗压强度及低拉伸强度。伴随着技术发展，针对高坚韧、轻量的铸造件要求也日益增多，选用压铸成型加工工艺制取铝合金零部件的优点获得关心。铸造工艺（压力铸造）为生产行业常用的一种特种铸造加工工艺，可以将液体金属材料或半流体金属在较高压下以快速添充至压铸模具中，在工作压力影响下成形并凝结，最终获得铸造件。因为铸造工艺成形的铸造件具备加工精度高、强度大、材料利用率高优点，铝压铸及高强度铝压铸广泛用于生产制造样子繁杂、承担轻中度荷载的预制构件中。铝密度仅是铁、铜、锌等合金的1/3上下，是当前达到轻量标准的铝压铸合金原材料之一，除此之外铝的强度、比刚度比较高，具有较好的塑性体流变特性，结晶温度范畴窄，线缩水率小等优点，便于成形磨削加工，有很高的结构力学性能及抗蚀性，根据之上优势，铝合金已经成为高坚韧铝压铸合金原材料之一。铝合金铸造件在车辆、航空航天等领域方面具有出色的减脂实际效果，20个世纪80时代至今，汽车产业的蓬勃发展推动了有关市场的发展，而汽车产业的高速发展重点围绕智能化系统、轻量、模块化设计等方面进行。铝合金铸造件、工程塑料、碳纤维材料取代生铁铸造件的专业技术获得了很快的发展趋势，在其中汽车上换热器、发动机气缸、离心水泵、轮圈等40多种零部件运用铝合金锻造。伴随着高坚韧铝压铸技术发展，20世际90时代欧洲地区开发设计了一系列的高坚韧压铸铝合金合金，并融合了全产业链，包含铝合金的开发、零件的工业产品设计、铝压铸机等设施的配套设施等。

现关键概述现阶段压铸铝合金合金的特征和归类，并详细介绍传统式及新式压铸铝合金合金的探索现状以及发展前途。合金成份对铝合金性能产生的影响1压铸铝合金合金成分以及含量对铸造件的结构力学性能危害明显，针对不同铸造件的性能规定，宜选用不一样铸造工艺及相关的铝合金成份。现阶段工业应用中压铸铝合金合金用途广泛是指Al-Si二元合金系、Al-Mg二元合金系、Al-Si-Mg合金系、Al-Si-Cu合金系等，我国、国外、日本常见铝合金型号规格及成份如表1所显示。一般传统压铸铝合金合金中关键添加的合金元素有Si、Fe、Cu等，在其中Si元素的加持可以增强铝合金的流通性，Fe元素的加持有益于铸造件出模，Cu元素的加持可以增强铸造件抗压强度，多种不同合金元素的加持使铝合金具备不同类型的特性及优点和缺点。01 Al-Si系合金 压铸铝合金合金里加入Si元素也会降低结晶温度的区段，共结晶含量也会增加，且因为Si元素的结晶体汽化热大，造成合金的流通性提高。

除此之外Si元素的体缩水率约等于零，热膨胀系数也远远小于Al，伴随着Si元素含量的提高，所形成的合金缩水率随着减少，减少了孔缩趋向与热裂趋向，抑止持续高温延性。因为压铸铝合金合金里加入Si元素使之具有较好的锻造性能及其传热性、抗腐蚀等特点，使Al-Si系合金在锻造行业运用广泛。传统Al-Si二元合金系列产品尽管具有较强的抗压强度，但是其可塑性较弱，难以实现汽车制造业飞速发展上对更高一些性能铝合金的需求。Al-Si系合金的重要缺点取决于浇筑环节中易导致铸造件规格不符合规定、造成出气孔等缺点，传统式铸造铝合金的外部经济机构晶体为树技晶，危害合金的结构力学性能。 （a）亚碳化物型 （b）碳化物型 （c）过碳化物型 图1 Al-Si系合金晶体结构工业生产上把Al-Si系合金分成三大类：亚碳化物型Al-Si系合金、碳化物型Al-Si系合金、过碳化物型Al-Si系合金，如下图1所显示。

合金中相对较高的Si含量推动了硬实粗糙初晶Si颗粒产生，提升了过碳化物型Al-Si系合金的耐磨性能，与此同时初晶Si颗粒存有还对合金的结构力学性能造成不良影响，如减少磨削加工性能。02 Al-Mg系合金 Al-Mg系合金可塑性优质，且抗腐蚀，成形的铸造件表层质量高，主要运用于车辆抗腐蚀零件与对表层质量要求高的铸造件中。压铸铝合金合金里加入Mg元素，因为Mg分子的半径比Al原子半径大13%，通过时效处理，Mg融解于Al的α看中，造成比较大的歪曲，能够实现铝合金抗压强度的提升。在Al-Mg系合金液的表面能产生具备强耐腐蚀性能的尖晶膜，能够提升合金的耐蚀性，而且产生合金的黏膜趋向低，工件的表面粗糙度高。但Al-Mg系合金中可能产生Mg2Si与Al3Mg2脆硬相，使合金的拉伸强度减低，热裂的趋势增大，冶炼时容易空气氧化或产生渣，造成锻造性能较弱。03 Al-Si-Mg系合金 Al-Si-Mg系合金归属于独特类型的Al-Si系合金，Al-Si系合金中Si元素在Al里的溶解性小，无法在铝合金里加入比较多Si元素，因而添加Si元素对铝合金强度危害比较小。因为无法通过热处理方法开展加强，可以选择在Al-Si系合金里加入Mg元素，通过热处理方法后合金会进行析出弥散强化相，提升合金强度。如ZL114A铝合金是Al-Si-Mg系合金，少量Mg能够提高合金的抗压强度与抗拉强度，具有较强的结构力学性能，而且该合金具有较强的填充水平、抗腐蚀性能及相对较低的热裂趋向。

Al-Si-Mg系合金是新式压铸铝合金合金的研发目标，适合于车体样子繁杂、综合性结构力学性能要求高的零部件，但成形的零部件后面处理方式要求很高，会使之提升原材料成本。04 Al-Si-Cu系合金 Al-Si-Cu系合金里加入Cu元素，常温下Cu元素在α-Al离子晶体里的溶解性比较小，而高温下溶解性比较大，使Cu元素能固溶解于合金里的铝基材或产生颗粒的化学物质加强相（大多为AlCu和Al5Cu2Mg8Si6相），提升了合金的抗蠕变性能及合金的强强度。

Al-Si-Cu系合金中加入Cu元素能增加铝合金的结构力学性能、锻造性能及其机械加工制造性能，但Al元素与Cu元素的有机化学电势差大，易导致合金的耐腐蚀性下降，热裂选择性更高一些，在Al-Si-Cu系铝压铸合金中，Cu含量一般控制在1%~5%。A383合金是美国根据传统式A380合金前提下改进后压铸铝合金合金，在其中Si含量较A380更为贴近碳化物，优化了合金的流通性，其Cu元素含量偏少，在铝压铸过程中出现一定的热裂趋向，可能产生热裂纹路。05 铝合金中别的元素的功效 Fe元素在压铸铝合金合金里是影响较大的残渣元素，Fe元素易与铝合金里的Al、Si、Mg等元素反映产生Al3Fe、Al9Fe2Si2、Al8Mg3FeSi6等相，都属于脆硬相，易开裂，并在本相部位易积累残渣汽体，使合金的结构力学性能减少。运用铸造工艺在一定程度上降低纤维状含有Fe相的进行析出（如图2），使其尽可能减少基材的不利影响。除此之外，Fe元素含量比较多还会继续减少铝合金的抗腐蚀与流通性，提升铝压铸的热裂趋向与缩松趋向。

图2含量为1%的Fe元素铝合金透射电镜外部经济外貌 注：EHT:加速电压；WD：工作距离；Mag：放大倍数；SignalA=SE2：选用SE2探测仪Zn元素在α-Al基材里的溶解性不错，能产生离子晶体，加强合金的结构力学性能，提高流通性，改进合金的机械加工制造性能。但是和Cu元素类似，因为Zn元素与合金中Al的有机化学电位差相距大，压铸铝合金合金的耐腐蚀性能较弱，此外Zn元素在合金里的体缩水率达到4.7%，使压铸铝合金合金有很高的收拢趋向。

压铸铝合金合金之中常添加希土元素，希土元素的原子半径超过Al元素的原子半径，Al元素的分子结构是体心晶格常数，希土元素为密排六方晶格常数，因而希土元素在铝合金里的溶解性小，不容易形成离子晶体。铝合金里加入希土元素，会聚集在非均相页面的前边，发生成分过冷状况，可以提高铝合金的结构力学性能。希土元素比较开朗，非常容易弥补铝合金冶炼时合金相造成的不足，减少两相界面之间界面张力，并且在合金晶体表层产生活力层以阻拦晶体的成长。针对合金里的Fe元素等残渣，希土元素可和产生反映，净化处理铝液，改进富Fe残渣相。新式压铸铝合金合金2汽车制造业根据电力能源、安全系数、舒适度等多种因素的需要下飞速发展，汽车制造业对原材料的发展需要处于铝镁合金的应用时期，以取代厚钢板、生铁等能耗高品质重材质。传统式车身零部件以钢板冲压或液压机胀形或板才拼焊等工序为主导，如选用铝合金，则无高韧性和高耐磨的需要。

铝合金的应用具备零件相对高度一体化的优点，针对不同零部件的性能规定各有不同，有一些必须提高其拉伸强度，有一些必须提升耐腐蚀性能，伴随着高真空压铸工艺开发设计，铝压铸零部件的生产加工必须更为出色、具有各种各样性能的铝合金。为推进高可塑性铝合金的需要，20世际90时代至今法国、日本等专家学者在大真空设备的前提下，开展高可塑性Al-Si-Mg系合金的探索。德国莱茵铝合金企业研制的新式压铸铝合金合金：Magsimal-59、Sila⁃font-36与Castasil-37，将合金中Fe元素含量保持在＜0.2%，以保证铸造件的韧性和硬度，为避免合金发生表面起泡状况，另外在合金里加入0.5%~0.8%的Mn元素。经检测，Magsimal-59合金规范不锈钢棒试件在铸态中的拆断拉伸强度可以达到17%，已把它用于生产制造汽车门把手中。近藤合利运用Silafont-36作为支撑合金，根据操纵合金中Mg元素的含量来获取不同类型的结构力学性能，研究表明，当Mg元素质量浓度在0.33%~0.40%时，铝合金体现为比较好的拉伸强度与粘结强度。王海东等对Al-Si-Mg系合金中加入少量合金元素对合金和组织性能产生的影响进行分析，研究发现：当加上少量Ti元素时，可以有效优化合金晶体，提高抗压强度和抗拉强度；加上少量Zr或Sr元素，铝合金的结构力学性能明显改进，可塑性明显增强。

法国专家学者研发了Aural-2和Aural-3合金，Au⁃ral-3合金具有较好的流通性，其填充性能好，同时通过加上Mg元素可让Aural-3合金开展热处理工艺，根据时效处理获得新式高坚韧合金的伸长率为5%~12%，抗拉强度σ0.2为250MPa。目前我国许多企业、科学研究学校已经开发设计适用车辆车身结构件高的坚韧铝合金，如宁波市协力磨具科技发展有限公司与上海交大原材料科学与工程学院联合开发高拉伸强度耐高温铸造铝合金，协作期内研发了高拉伸强度耐高温铸造铝合金以及压力铸造制备工艺，该合金归属于Al-Si-Mg系合金，对其Si、Cu、Mg含量进行了表明，对其少量元素Sc、M（Ti、Zr、V中最少一种元素）展开了要求，其铝压铸态的抗拉强度可以达到169MPa，拉伸强度达10.0%，200℃持续高温抗压强度达190MPa，持续高温拉伸强度达14.0%，室内温度和耐高温性能出色，并且不用固溶热处理便能用于汽车零件，达到轻量化持续发展的要求。总的来说，现阶段新式高坚韧性能的压铸铝合金合金的探索关键集中化Al-Si-Mg系，因为Al-Si系合金里加入Mg元素，能产生Mg2Si，在时效处理时需产生离子晶体，加强合金，而且Mg元素也可以在合金液表面产生调节剂腐蚀的尖晶膜，提升铸造件的耐蚀性。本质上Cu元素对Al-Si系合金综合强化效果更为明显，相较于Mg元素，Cu元素更加容易在铝合金中产生核，热处理工艺后性能有所提高，但Cu元素在铝合金里的融解率比较低，在Al-Si系合金中的运用得到了限定。对Al-Si-Cu系合金的新式高坚韧性能的探索还需要进一步讨论，这对新式高坚韧铝合金的研究与开发起着至关重要的作用。