挤压铸造Al-Si系合金成分优化、孕育变质及其复合材料的研究进展

挤压铸造Al-Si系合金成分优化、孕育变质及其复合材料的研究进展

介绍

铝硅合金具有铸造流动性好、耐腐蚀性能好、比强度高、热膨胀系数小等特点，在铸造铝合金中有着广泛的应用。汽车、航空航天等领域的轻量化发展对铝硅合金的强度和塑性提出了更高的要求。挤压铸造铝合金可以形成复杂的薄壁铸件，且制件组织致密、表面质量高、力学性能良好，在汽车零部件领域有着广阔的应用前景。本文就合金元素、孕育变质剂对挤压铸造铝硅合金及挤压铸造铝硅合金复合材料组织与性能的影响进行综述和总结，为今后利用挤压铸造技术制备高性能铝硅合金提供参考。

关键词：挤压铸造；铝硅合金；合金元素；孕育变质；组织与性能

挤压铸造是一种在机械压力作用下使液态金属凝固的技术，在一定的压力和相对较低的速度下完成铸件的充型，得到的铸件孔隙率低、组织致密、塑性变形小。挤压铸造技术可生产形状复杂、高韧性、终成形或近终成形的薄壁铝合金铸件，在汽车铸造、航空航天等领域有着广阔的应用前景。

铝硅合金具有铸造性能好、比强度高、耐磨性好、热处理性能好、成本低等特点，是铸造铝合金中研究最早、开发最多、应用最广泛的一种铝合金。在铝硅合金中，Si含量（质量分数）在2%~12.6%之间的亚共晶铝硅合金具有较高的强度和塑性，而Si含量在12.6%以上的过共晶铝硅合金具有较好的抗压强度、较强的耐磨性和较低的热膨胀系数，是制造汽车活塞、缸体、斜板等零件的理想材料。本项目以铝硅合金及其复合材料为研究对象，从合金成分设计、孕育处理剂等方面进行综述，为高性能挤压铸造铝硅合金的开发提供参考。

1.合金元素对挤压铸造铝硅合金组织与性能的影响

1.1 硅

目前挤压铸造铝硅合金主要有：亚共晶Al-(4~8)Si系(I)、Al-(9~13)Si系(II)和过共晶Al-(14~22)Si系(III)。图1总结了铝硅合金的拉伸性能。

（a）拉伸强度 （b）伸长率

图1 Al-Si合金拉伸强度与伸长率统计图。图中黑色圆圈代表挤压铸造状态的拉伸性能，红色三角形代表热处理后挤压铸造合金的拉伸性能，蓝色五角星代表热处理后半固态挤压铸造合金的拉伸性能

1.2 其他合金元素

1.2.1 Mg、Cu元素

Mg和Cu元素对Al-Si合金的组织和力学性能有明显的影响。

★随着Mg含量从1%增加到2%，挤压铸造Al-10Si-2.5Cu-xMg合金中共晶硅相形貌由针片状变为细小颗粒状；当Mg含量为1.5%时，合金的抗拉强度达到最大值（约）。

★随着Mg含量的增加（0.2%~2.6%），挤压铸造Al-10Si-2.5Cu-0.8Fe-xMg合金中共晶硅形貌由片状变为纤维状，含Fe相由棒状变为小片状，再变为棒状；当Mg含量为1.38%时，合金的抗拉强度达到最大值。

★当Cu含量为2.25%、Cu/Mg质量比为4时，热处理挤压铸造Al-10.7Si-2.25Cu-0.56Mg合金中的强化相由θ-Al2Cu转变为Mg2Si、θ-Al2Cu和Q-，合金的抗拉强度提高至。

★挤压铸造Al-17Si-2Cu-0.4Mg-1.5Fe合金添加Cu、Mg元素后抗拉强度为225 MPa，比挤压铸造Al-17Si合金提高了72MPa；MAENG等进一步添加Cu、Mg后，挤压铸造Al-17.48Si-4.25Cu-0.6Mg合金抗拉强度达到315 MPa。

1.2.2 Ce、Sc、Ni元素

研究发现：

★当比压为100 MPa,Ce含量在0.1%~0.5%范围内时,共晶Si变质效果明显：共晶Si平均长度由24.82μm减小到10.87μm,相数量的增加使合金的抗拉强度由210 MPa提高到254 MPa。

★当Fe含量低于0.2%，Sc含量为0.2%时，Al-7Si-0.3Mg-Fe合金中能形成少量细小、圆整的富Sc金属间化合物，共晶Si变细小，从而提高合金的硬度、屈服强度和抗拉强度，同时保持良好的伸长率；当Sc含量为0.4%时，富Sc金属间化合物数量增多，合金的伸长率下降。

★随着Ni含量从0增加到2.0%，挤压铸造A380合金中含Ni金属间相化合物的体积分数增加，合金的屈服强度和抗拉强度分别提高了39%和13%。

1.3 熔体处理及孕育改进

1.3.1 熔体处理

常见的熔体净化方法有熔剂法、浮选法和过滤法。

万兵兵研制出一种新型铝合金精炼剂(NaCl-KClKF-AlF3--KAlF4)，可使ADC12铝合金熔体脱氢率达到79.31%，氧含量由16ppm降至3ppm，残渣减少率达97.68%。沈刚等采用氩气旋转泡浮选法处理Al-10Si合金，发现浮选法比熔剂精炼法具有更强的除渣、除气能力。黄泉等采用玻璃纤维过滤板，能有效控制铝锭表面氧化渣，提高合金质量。此外，常见的熔体处理方法还有超声波处理、真空磁悬浮处理、熔体过热处理、电磁搅拌处理以及电脉冲处理等。夏锋等研究发现，超声波处理可以提高Al-Si合金熔体中初晶相和共晶相的析出温度，使得合金中的α-Al相细小圆整，初晶Si相由粗大不规则形貌变为细小、分布较均匀。张良等采用真空磁悬浮熔炼A356合金发现，与常规熔炼相比，共晶硅相由细长的针状变为短片状，合金的致密度提高了1.14%，组织更加致密。党波等研究发现，当过热温度低于960 ℃时，随着过热温度的升高，过共晶Al-25Si合金中初晶Si相以小平面为单位长大，当过热温度高于960 ℃时长大趋势减弱。缪龙采用电磁搅拌制备Al-20Si合金发现，随着搅拌电压的升高，初晶硅在试样边部偏析更明显。 张光安等对Al-7Si-Mg合金采用电脉冲孕育处理，发现柱状α-Al相变为接近球形，晶粒细化效果十分明显。

1.3.2 Al-Ti-B细化剂

孕育变质剂在重力铸造、高压铸造铝合金等领域应用广泛，其中在铝合金中应用最为广泛的是Al-Ti-B晶粒细化剂。Al-5Ti-B合金对变形铝合金有效，但对主流铸造铝硅合金（Si≥5%）则不能起到很好的细化作用，这种现象称为“硅毒化效应”。在传统Al-Ti-B细化剂基础上研制的新型Al-Ti-Nb-B晶粒细化剂，通过Ti/Nb的协同作用，在熔体中形成B2（Ti，Nb）粒子，可促进合金熔体的形核，对晶粒细化有显著的效果。为了避免Al-5Ti-B的硅毒化效应，董等、张等分别研制了Al-3Ti-3B、Al-3V-B和Al-3Ti-1B细化剂，显著改善了“硅毒化效应”。

1.3.3 Al-P变质剂

Al-P中间合金变质剂具有变质效果好、稳定、无污染、吸附性强、成本低廉等特点。研究发现，P元素在亚共晶Al-Si合金中对共晶Si的形核起着关键作用，AlP与Si相的晶格失配度小于1%，使其成为共晶Si的良好形核位置，并促使共晶Si在较低的过冷度下形核。张光安等研究发现，A390合金经Al-P变质剂短时间保温变质后，共晶硅平均尺寸减小至22μm，细化效果明显。此外，新型Al-P-Ti-TiC-Y和Al-P-Ti-TiC-Nd2O3细化剂可将共晶硅细化至20μm。

图2 Al-5Ti-B细化剂引起硅中毒的机理示意图

1.3.4 含Sr改性剂

含Sr变质剂具有变质效果好、有效作用期长、可回收利用、污染小等特点。王勇等研究结果表明，当Sr含量为0.06%时，Al-7Si合金中共晶硅的形貌由长针状变为短针状。张建军等研究发现，Sr并不影响共晶硅的双平面凹角生长机制，而是在共晶反应过程中在共晶硅与铝晶粒边界处形成起变质作用的相。进一步研究发现，熔体中形成的团簇会增加共晶Si形核所需的过冷度，也会影响共晶硅孪晶的生长方式，从而对共晶硅起变质作用。由图3可以明显看到未变质和Sr变质合金的组织有明显的差异。

(a1, a2, a3) 未修改 (b1, b2, b3) Sr 修改

图3 未改性和Sr改性Al-12.7Si合金的微观组织。 (a1)和(b1)共晶相(α-Al为灰色，Si为深灰色)；(a2)和(b2)分别对应于(a1)和(b1)的EBSD相类型图(α-Al为蓝色，Si为红色)，(a3)和(b3)EBSD晶粒取向图，其中(a3)左下角显示彩色编码的反极图

1.3.5 复合变质作用

在Al-Si合金中添加Sr作为变质剂，使共晶Si的形貌由粗大的板状或针状变为细小的纤维状，但Sr的添加会导致长柱状树枝状α-Al相（纵向尺寸相对较大的α-Al相）的形成，因此还需要添加其他元素来改变长柱状树枝状α-Al相。

表1为部分铝硅合金的力学性能，可以看出合金元素种类及含量对挤压铸造铝硅合金的组织和性能有重要的影响，研究主、微量合金元素种类及含量对于制备高性能挤压铸造铝硅合金具有重要意义。

2.挤压铸造铝硅合金复合材料

金属基复合材料已成为航空、汽车工业的重要结构材料，与传统材料相比，金属基复合材料具有比强度高、耐磨性好、质量轻、高温强度稳定等优点，在众多加工技术中，挤压铸造是制造高性能金属基复合材料的有效方法。

2.1 Al-Si基无机非金属复合材料

常用与铝合金复合的无机非金属材料有：碳化硼（B4C）、氧化铝（Al2O3）、金刚石、碳化硅（SiC）。其中，碳化硅（SiC）增强铝基复合材料力学性能好，制造成本低，但SiC颗粒附近的应变集中降低了材料的塑性。

MANU等采用挤压铸造工艺制备了微米SiO2增强铝基复合材料，由于SiO2颗粒在基体中分布均匀，微米SiO2增强铝基复合材料具有更好的力学性能和耐腐蚀性能。CHOU等研究了挤压铸造Al2O3/A356铝合金复合材料的力学性能，发现当A356合金含量从5%增加到40%时，复合材料的硬度（HV）由109降低到227，断裂强度由492.5 MPa降低到457 MPa。张建军等以废铝合金为基体替代Al-7Si-Mg合金，利用炼油厂废渣中的废氧化铝催化剂代替Al2O3作为增强材料，在保证拉伸强度不明显下降的情况下，大大降低了复合材料的生产成本。JIANG等还采用挤压铸造法研究了高热导率金刚石/铝复合材料的界面特性。 结果表明:板条状Al4C3在金刚石/铝合金界面上按照梯形台阶机制生长,且板条状Al4C3尖端界面为粗糙界面,以连续生长方式迁移。

2.2 铝-铝双金属复合材料

铝-铝双金属复合材料在满足汽车、航空等领域高性能、高效生产要求方面具有独特优势。其中，6101铝合金强度高，导热性和导电性优良；而A356铝合金铸造特性好，抗拉强度高，疲劳性能好。采用复合挤压铸造技术制备的A356-6101铝合金双金属材料可以将两者的优点结合起来。

王等研究了压力对挤压铸造A356-6101双金属材料组织和力学性能的影响，发现A356铝合金基体的拉伸强度随着压力的增加而增大，而双金属的拉伸强度与施加的压力无关。

3. 结论与展望

铝合金挤压铸造可以形成形状复杂、制件致密、表面质量高、力学性能好的薄壁铸件，在汽车零部件制备等领域有广阔的应用前景。铝硅合金挤压铸造技术的开发可以从以下几个方面进行：

（1）铝硅合金成分需进一步优化。适当添加Cu、Mg元素，可大幅度提高铝硅合金强度；添加Ce、Sc、Ni等稀土金属，可明显改善合金组织。因此，通过优化合金中主、微合金元素含量，有望开发出高强度塑性挤压铸造铝硅合金。

（2）需要进一步开发铝硅合金孕育变质剂。Al-Ti-B晶粒细化剂对铝硅合金中α-Al晶粒尺寸有显著影响，开发各种高效、廉价、易制备的晶粒细化剂尤为重要。含Sr、Sb、P的变质剂对铝硅合金中初生Si和共晶Si的尺寸和形态有显著影响。因此，研究更高效的细化变质剂对提高铝硅合金的性能具有重要意义。此外，各种变质剂的联合使用对提高铝硅合金的性能也具有重要意义。

（3）金属基复合材料是具有广阔发展前景的结构材料。金属基复合材料具有比强度高、耐磨性好、制件重量轻、高温强度稳定等特点。挤压铸造技术在高性能金属基复合材料开发中有着广阔的应用前景。

参考文献：薛利文, 周文强, 朴义男, 等. 挤压铸造及热处理对A359铝合金力学性能的影响[J]. 特种铸造及有色合金, 2021, 41(6): 842-848。