壓鑄鋁合金的研究進展

錦宏峰與您一起學習

近些年來車輛、航空航天及it行業的蓬勃發展，對輕量、高耐磨及耐腐蝕性的鑄造件明確提出更高要求。對于鋁合金零部件，高韌性、高耐磨、耐腐蝕合金、形變合金加工的成型及大中型繁雜合金零部件的成型加工工藝已經成為輕量合金的研究重點。但現在大部分鑄造鋁合金結構力學性能在鑄態下多見低抗壓強度及低拉伸強度。伴隨著技術發展，針對高堅韌、輕量的鑄造件要求也日益增多，選用壓鑄成型加工工藝制取鋁合金零部件的優點獲得關心。鑄造工藝（壓力鑄造）為生產行業常用的一種特種鑄造加工工藝，可以將液體金屬材料或半流體金屬在較高壓下以快速添充至壓鑄模具中，在工作壓力影響下成形并凝結，最終獲得鑄造件。因為鑄造工藝成形的鑄造件具備加工精度高、強度大、材料利用率高優點，鋁壓鑄及高強度鋁壓鑄廣泛用于生產制造樣子繁雜、承擔輕中度荷載的預制構件中。鋁密度僅是鐵、銅、鋅等合金的1/3上下，是當前達到輕量標準的鋁壓鑄合金原材料之一，除此之外鋁的強度、比剛度比較高，具有較好的塑性體流變特性，結晶溫度范疇窄，線縮水率小等優點，便于成形磨削加工，有很高的結構力學性能及抗蝕性，根據之上優勢，鋁合金已經成為高堅韌鋁壓鑄合金原材料之一。鋁合金鑄造件在車輛、航空航天等領域方面具有出色的減脂實際效果，20個世紀80時代至今，汽車產業的蓬勃發展推動了有關市場的發展，而汽車產業的高速發展重點圍繞智能化系統、輕量、模塊化設計等方面進行。鋁合金鑄造件、工程塑料、碳纖維材料取代生鐵鑄造件的專業技術獲得了很快的發展趨勢，在其中汽車上換熱器、發動機氣缸、離心水泵、輪圈等40多種零部件運用鋁合金鍛造。伴隨著高堅韌鋁壓鑄技術發展，20世際90時代歐洲地區開發設計了一系列的高堅韌壓鑄鋁合金合金，并融合了全產業鏈，包含鋁合金的開發、零件的工業產品設計、鋁壓鑄機等設施的配套設施等。

現關鍵概述現階段壓鑄鋁合金合金的特征和歸類，并詳細介紹傳統式及新式壓鑄鋁合金合金的探索現狀以及發展前途。合金成份對鋁合金性能產生的影響1壓鑄鋁合金合金成分以及含量對鑄造件的結構力學性能危害明顯，針對不同鑄造件的性能規定，宜選用不一樣鑄造工藝及相關的鋁合金成份。現階段工業應用中壓鑄鋁合金合金用途廣泛是指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，我國、國外、日本常見鋁合金型號規格及成份如表1所顯示。一般傳統壓鑄鋁合金合金中關鍵添加的合金元素有Si、Fe、Cu等，在其中Si元素的加持可以增強鋁合金的流通性，Fe元素的加持有益于鑄造件出模，Cu元素的加持可以增強鑄造件抗壓強度，多種不同合金元素的加持使鋁合金具備不同類型的特性及優點和缺點。01 Al-Si系合金 壓鑄鋁合金合金里加入Si元素也會降低結晶溫度的區段，共結晶含量也會增加，且因為Si元素的結晶體汽化熱大，造成合金的流通性提高。

除此之外Si元素的體縮水率約等于零，熱膨脹系數也遠遠小于Al，伴隨著Si元素含量的提高，所形成的合金縮水率隨著減少，減少了孔縮趨向與熱裂趨向，抑止持續高溫延性。因為壓鑄鋁合金合金里加入Si元素使之具有較好的鍛造性能及其傳熱性、抗腐蝕等特點，使Al-Si系合金在鍛造行業運用廣泛。傳統Al-Si二元合金系列產品盡管具有較強的抗壓強度，但是其可塑性較弱，難以實現汽車制造業飛速發展上對更高一些性能鋁合金的需求。Al-Si系合金的重要缺點取決于澆筑環節中易導致鑄造件規格不符合規定、造成出氣孔等缺點，傳統式鑄造鋁合金的外部經濟機構晶體為樹技晶，危害合金的結構力學性能。 （a）亞碳化物型 （b）碳化物型 （c）過碳化物型 圖1 Al-Si系合金晶體結構工業生產上把Al-Si系合金分成三大類：亞碳化物型Al-Si系合金、碳化物型Al-Si系合金、過碳化物型Al-Si系合金，如下圖1所顯示。

合金中相對較高的Si含量推動了硬實粗糙初晶Si顆粒產生，提升了過碳化物型Al-Si系合金的耐磨性能，與此同時初晶Si顆粒存有還對合金的結構力學性能造成不良影響，如減少磨削加工性能。02 Al-Mg系合金 Al-Mg系合金可塑性優質，且抗腐蝕，成形的鑄造件表層質量高，主要運用于車輛抗腐蝕零件與對表層質量要求高的鑄造件中。壓鑄鋁合金合金里加入Mg元素，因為Mg分子的半徑比Al原子半徑大13%，通過時效處理，Mg融解于Al的α看中，造成比較大的歪曲，能夠實現鋁合金抗壓強度的提升。在Al-Mg系合金液的表面能產生具備強耐腐蝕性能的尖晶膜，能夠提升合金的耐蝕性，而且產生合金的黏膜趨向低，工件的表面粗糙度高。但Al-Mg系合金中可能產生Mg2Si與Al3Mg2脆硬相，使合金的拉伸強度減低，熱裂的趨勢增大，冶煉時容易空氣氧化或產生渣，造成鍛造性能較弱。03 Al-Si-Mg系合金 Al-Si-Mg系合金歸屬于獨特類型的Al-Si系合金，Al-Si系合金中Si元素在Al里的溶解性小，無法在鋁合金里加入比較多Si元素，因而添加Si元素對鋁合金強度危害比較小。因為無法通過熱處理方法開展加強，可以選擇在Al-Si系合金里加入Mg元素，通過熱處理方法后合金會進行析出彌散強化相，提升合金強度。如ZL114A鋁合金是Al-Si-Mg系合金，少量Mg能夠提高合金的抗壓強度與抗拉強度，具有較強的結構力學性能，而且該合金具有較強的填充水平、抗腐蝕性能及相對較低的熱裂趨向。

Al-Si-Mg系合金是新式壓鑄鋁合金合金的研發目標，適合于車體樣子繁雜、綜合性結構力學性能要求高的零部件，但成形的零部件后面處理方式要求很高，會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，常溫下Cu元素在α-Al離子晶體里的溶解性比較小，而高溫下溶解性比較大，使Cu元素能固溶解于合金里的鋁基材或產生顆粒的化學物質加強相（大多為AlCu和Al5Cu2Mg8Si6相），提升了合金的抗蠕變性能及合金的強強度。

Al-Si-Cu系合金中加入Cu元素能增加鋁合金的結構力學性能、鍛造性能及其機械加工制造性能，但Al元素與Cu元素的有機化學電勢差大，易導致合金的耐腐蝕性下降，熱裂選擇性更高一些，在Al-Si-Cu系鋁壓鑄合金中，Cu含量一般控制在1%~5%。A383合金是美國根據傳統式A380合金前提下改進后壓鑄鋁合金合金，在其中Si含量較A380更為貼近碳化物，優化了合金的流通性，其Cu元素含量偏少，在鋁壓鑄過程中出現一定的熱裂趨向，可能產生熱裂紋路。05 鋁合金中別的元素的功效 Fe元素在壓鑄鋁合金合金里是影響較大的殘渣元素，Fe元素易與鋁合金里的Al、Si、Mg等元素反映產生Al3Fe、Al9Fe2Si2、Al8Mg3FeSi6等相，都屬于脆硬相，易開裂，并在本相部位易積累殘渣汽體，使合金的結構力學性能減少。運用鑄造工藝在一定程度上降低纖維狀含有Fe相的進行析出（如圖2），使其盡可能減少基材的不利影響。除此之外，Fe元素含量比較多還會繼續減少鋁合金的抗腐蝕與流通性，提升鋁壓鑄的熱裂趨向與縮松趨向。

圖2含量為1%的Fe元素鋁合金透射電鏡外部經濟外貌 注：EHT:加速電壓；WD：工作距離；Mag：放大倍數；SignalA=SE2：選用SE2探測儀Zn元素在α-Al基材里的溶解性不錯，能產生離子晶體，加強合金的結構力學性能，提高流通性，改進合金的機械加工制造性能。但是和Cu元素類似，因為Zn元素與合金中Al的有機化學電位差相距大，壓鑄鋁合金合金的耐腐蝕性能較弱，此外Zn元素在合金里的體縮水率達到4.7%，使壓鑄鋁合金合金有很高的收攏趨向。

壓鑄鋁合金合金之中常添加希土元素，希土元素的原子半徑超過Al元素的原子半徑，Al元素的分子結構是體心晶格常數，希土元素為密排六方晶格常數，因而希土元素在鋁合金里的溶解性小，不容易形成離子晶體。鋁合金里加入希土元素，會聚集在非均相頁面的前邊，發生成分過冷狀況，可以提高鋁合金的結構力學性能。希土元素比較開朗，非常容易彌補鋁合金冶煉時合金相造成的不足，減少兩相界面之間界面張力，并且在合金晶體表層產生活力層以阻攔晶體的成長。針對合金里的Fe元素等殘渣，希土元素可和產生反映，凈化處理鋁液，改進富Fe殘渣相。新式壓鑄鋁合金合金2汽車制造業根據電力能源、安全系數、舒適度等多種因素的需要下飛速發展，汽車制造業對原材料的發展需要處于鋁鎂合金的應用時期，以取代厚鋼板、生鐵等能耗高品質重材質。傳統式車身零部件以鋼板沖壓或液壓機脹形或板才拼焊等工序為主導，如選用鋁合金，則無高韌性和高耐磨的需要。

鋁合金的應用具備零件相對高度一體化的優點，針對不同零部件的性能規定各有不同，有一些必須提高其拉伸強度，有一些必須提升耐腐蝕性能，伴隨著高真空壓鑄工藝開發設計，鋁壓鑄零部件的生產加工必須更為出色、具有各種各樣性能的鋁合金。為推進高可塑性鋁合金的需要，20世際90時代至今法國、日本等專家學者在大真空設備的前提下，開展高可塑性Al-Si-Mg系合金的探索。德國萊茵鋁合金企業研制的新式壓鑄鋁合金合金：Magsimal-59、Sila?font-36與Castasil-37，將合金中Fe元素含量保持在＜0.2%，以保證鑄造件的韌性和硬度，為避免合金發生表面起泡狀況，另外在合金里加入0.5%~0.8%的Mn元素。經檢測，Magsimal-59合金規范不銹鋼棒試件在鑄態中的拆斷拉伸強度可以達到17%，已把它用于生產制造汽車門把手中。近藤合利運用Silafont-36作為支撐合金，根據操縱合金中Mg元素的含量來獲取不同類型的結構力學性能，研究表明，當Mg元素質量濃度在0.33%~0.40%時，鋁合金體現為比較好的拉伸強度與粘結強度。王海東等對Al-Si-Mg系合金中加入少量合金元素對合金和組織性能產生的影響進行分析，研究發現：當加上少量Ti元素時，可以有效優化合金晶體，提高抗壓強度和抗拉強度；加上少量Zr或Sr元素，鋁合金的結構力學性能明顯改進，可塑性明顯增強。

法國專家學者研發了Aural-2和Aural-3合金，Au?ral-3合金具有較好的流通性，其填充性能好，同時通過加上Mg元素可讓Aural-3合金開展熱處理工藝，根據時效處理獲得新式高堅韌合金的伸長率為5%~12%，抗拉強度σ0.2為250MPa。目前我國許多企業、科學研究學校已經開發設計適用車輛車身結構件高的堅韌鋁合金，如寧波市協力磨具科技發展有限公司與上海交大原材料科學與工程學院聯合開發高拉伸強度耐高溫鑄造鋁合金，協作期內研發了高拉伸強度耐高溫鑄造鋁合金以及壓力鑄造制備工藝，該合金歸屬于Al-Si-Mg系合金，對其Si、Cu、Mg含量進行了表明，對其少量元素Sc、M（Ti、Zr、V中最少一種元素）展開了要求，其鋁壓鑄態的抗拉強度可以達到169MPa，拉伸強度達10.0%，200℃持續高溫抗壓強度達190MPa，持續高溫拉伸強度達14.0%，室內溫度和耐高溫性能出色，并且不用固溶熱處理便能用于汽車零件，達到輕量化持續發展的要求。總的來說，現階段新式高堅韌性能的壓鑄鋁合金合金的探索關鍵集中化Al-Si-Mg系，因為Al-Si系合金里加入Mg元素，能產生Mg2Si，在時效處理時需產生離子晶體，加強合金，而且Mg元素也可以在合金液表面產生調節劑腐蝕的尖晶膜，提升鑄造件的耐蝕性。本質上Cu元素對Al-Si系合金綜合強化效果更為明顯，相較于Mg元素，Cu元素更加容易在鋁合金中產生核，熱處理工藝后性能有所提高，但Cu元素在鋁合金里的融解率比較低，在Al-Si系合金中的運用得到了限定。對Al-Si-Cu系合金的新式高堅韌性能的探索還需要進一步討論，這對新式高堅韌鋁合金的研究與開發起著至關重要的作用。