压铸铝合金研究现状与未来发展趋势

压铸铝合金研究现状与未来发展趋势

陈飞 ,吴文杰 ,何小海 ,叶挺

广东鸿图武汉压铸有限公司  湖北  430200

摘要：近年来，汽车、电子电器以及航空工业等行业的快速发展，对压铸铝合金的需求急剧增长，在有色合金压铸制品中所占比重超过75%。以汽车行业为例，采用挤压式铝合金来替代传统的钢材，可以达到节能、环保、环保的目的。压铸铝合金具有低密度、导热性、塑性、耐蚀性和抗氧化性等优点，但同时也存在着塑性低、易粘膜的缺陷。所以，在铝合金材料的研制中，如何改善其性能是一个十分重要的课题。

关键词：压铸铝合金；研究现状；发展趋势

前言：铝的密度仅为铁、铜、锌等合金的1/3，是目前达到轻质要求的一种新型压铸合金，其比强度、比刚度、塑性体的流变性、晶化温度、低线收缩等优点，使其易于成形和加工，机械性能和耐蚀性都较高，因此铝合金成为了一种高强韧性的合金材料。随着高强度韧性压铸工艺的不断发展，欧洲在90年代相继研制出一批高强度韧性压铸铝合金，并形成了一条完整的铝合金产业链。

1.合金元素在压铸铝合金中的作用

1.1S

在压铸铝合金中， iSi是主要添加成分。在压铸铝合金中，硅的分布主要为针状共晶硅相和条状硅基体。Si含量低时，仅有共晶硅相在晶界分布较为均匀，且合金的强度随时间的推移而增大；初晶 Si的含量越高， Si越容易析出， Si的共晶态越大越大，越不均匀，造成了铝合金基材的开裂，合金的强度急剧下降。另外，铝合金在拉伸变形时，首先发生的是晶间 Si相，在 Si相尖处，由于受力的影响，会出现细小的裂纹，从而使铝合金的韧性和塑性下降，从而出现断裂。微量硅也能明显提高合金的流动性。在铝合金中加入大量的硅后，形成了自由态的 Si，随着 Si的加入，自由态 Si的增多，使铝合金的凝固区域扩大，凝固模式发生变化，从而使铝合金的流动性降低。在无硅的Al-Mg合金中加入少量 Si, Si将与铝基形成平衡晶体， Si的用量一般为约12.5%, Si的加入量低于该值时，随着 Si含量的增加，晶界范围缩小，从而使铝合金的流动性提高，从而提高了铝合金的化学稳定性。

1.2Mg

添加镁可以提高铝合金压铸制品的抗拉强度、硬度、耐腐蚀性能。Mg与 Si可形成Mg2Si相，淬火时溶解于α（Al）固溶于Al-Al固溶体中，再经时效沉淀，使Al-Al固溶体晶点阵发生变形，使其强度得到改善。同时，Al-Mg-Si合金在淬火后为单相，尽管有Mg2Si相，但其在电化学腐蚀过程中会以阳极形式存在，直到表面被腐蚀，从而具有良好的抗腐蚀性。通过试验，发现在压铸铝合金中添加少量 Mg后，其抗晶间侵蚀能力有所下降，而合金的耐剥蚀性能得到了显著改善。在铸造AlSi10MgMn铸件中添加少量 Mg后，可以显著改善铸件的机械性能。但随着镁含量的不断提高，材料的粒径也越来越大，在界面上的化合物也越来越多，使得材料在界面上的应力更加集中，一旦遇到相同的外力，很有可能会发生断裂，从而降低材料的力学性能。

1.3Cu

铝合金中铜的存在会导致CuAl2相、CuMgAl2、Al5Cu2Mg8Si6相，其相的形状、尺寸和分布对铝合金的力学性能有很大的影响。同时，在铝合金中， w （Cu）为4.5-5.5%时，在铝合金的时效过程中，会出现大量的CuAl2相，这些CuAl2相与α固溶体共格，使其晶点阵发生畸变，并将滑动表面封闭，达到最佳的淬火效果。在铝合金中， w (Cu)>5.5%时，铝合金在时效过程中会产生与α固溶体完全分离的CuAl2相，由于CuAl2相间存在着独立的晶格，所以其脆性很大，对铝合金的性能有很大的影响。铜含量越高，CuAl2的脆性相越多，越容易导致热处理的强化。另外，铜的化学电极电势高于铝，容易发生电偶腐蚀，从而引起晶间腐蚀，从而使铝合金的耐蚀性能下降，特别是铜以化合物的形式存在时，会使其耐腐蚀性下降。

1.4Fe

在压铸铝合金中，随着铁含量的增大，压铸件的断裂强度和延伸率在 w （Fe）为0.6~0.8%时几乎没有变化。但在 Fe>1.0%时， Fe的断裂强度和伸长率急剧下降，这是由于 Fe在铝中不易固溶， Fe呈片状或针状，Al3Fe、Al7Fe2、Al-Si-Fe等均存在于铝合金中，但 Fe含量太高，多数晶体会形成粗大的针状物，划破基体组织，使压铸件抗拉性能下降。在 W （Fe）为1.0%时， Fe会在铝液的下部发生偏析，从而在铝合金的表面上形成一个硬质点，从而增加了铝合金的硬度。而在铝合金材料的加工过程中，由于存在硬质点，会造成切削工具的磨损，从而导致加工性能、产品质量下降，从而导致生产效率下降，在制造过程中，要尽可能地防止出现硬质点，所以，对铝合金材料中铁的含量进行了限定，并从铁的含量和硬度等方面进行了研究。

1.5Sr

Sr是一种具有催化作用的表面活性元素，它可以使金属间的化学相态发生变化，从而使其发生变质作用。近年来，由于 Sr变质作用时间长、效果好、重复性好，已逐渐替代钠。在铸锭中添加少量 Sr后，铸锭中的 AlFeSi相转变为 AlFeSi，使铸锭均匀化时间缩短60~70%，机械性能和切削性能得到改善，表面粗糙度得到改善；将 Sr添加到过共晶Al-Si合金中，可将粗大的针状、片状的硅转变为纤维状，从而提高了铝合金的塑性加工能力。而 Sr含量过高，则会导致铝枝晶的粗化，由原纤维状的硅相向细杆状转变，出现过劣化，从而导致铝合金机械性能下降。

1.6Mn、Ti

在铝合金中添加少量锰后，可细化晶粒，阻止晶粒长大，并在固溶时与基体形成Al6Mn相，该相在合金中扩散，阻止晶界滑动，增加了合金的塑性。Ti能与基质结合，形成具有弥散增强作用的Al3Ti弥散颗粒，能抑制颗粒的生长，增强合金的强度和耐腐蚀性能。但是， Ti含量太高，Al3Ti颗粒易于聚合，形成较大的颗粒，所以在设计超高强度铝合金时，应严格控制 Mn、 Ti元素的含量。通过对铝合金的微观结构的分析，发现钛对合金的沉积有明显的抑制作用，从而改善了材料的机械性能；在固溶时效过程中，加入少量锰可以有效地抑制合金的再结晶，改善其机械性能。

2.压铸铝合金发展展望

2.1寻找更加有效的晶粒细化剂

Al-Ti-B中间合金是目前应用最广的一种细化剂，约75%的铝合金企业采用Al-Ti-B来细化晶粒，但由于TiB2 “团聚”等问题，有待进一步完善。近几年来，国内外很多学者对此进行了大量的探索，以期寻找出一种性能更好、效率更高的产品。在目前的压铸铝合金中，尽管存在着一定的细化晶粒，但是这种精细剂的作用并不理想。所以，寻求一种更有效、更好的精炼材料来改善其综合性能是目前压铸铝合金发展的一个主要趋势。

2.2进一步完善压铸新工艺

目前，国内外已有很多先进的压铸技术，包括半固态压铸技术、真空压铸技术等，它们都可以生产出具有较高机械强度的压铸铝合金，但由于技术上的限制，半固态压铸工艺的关键在于保证铸件的质量和稳定性；在真空铸造过程中，如何使模腔内的气体迅速排出，确保一定的真空度，有利于充型和排出熔体内的气体，是铸造技术研究的重点。

2.3新型高性能压铸铝合金的研发

铝合金压铸制品是一种常用的汽车、电子、电器、机械制造等产品，近几年已被广泛地用于航天工业。随着国民经济的发展和人民生活水平的提高，人们对产品质量和性能的要求不断提高，很多合金已被淘汰。所以，开发高质量的压铸铝合金将成为今后的发展趋势。

结束语

综上所述，目前，国内外对这种新型高强度铝合金进行了大量的研究，美国、德国、日本等国家都研制出了一种新型铝合金。中国在新型高强韧铝合金方面的研究还处在初级阶段，与世界先进水平还有很长的一段路要走。此外，在铸造领域，要实现工业化和产业化，还需要不断地发展新的高强度铝合金。

参考文献

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