高强韧铸造铝合金材料

高强韧铸造铝合金材料

摘要：随着我国重工业的不断发展，铸造铝合金因其优异的性能被广泛应用，同时对铸造铝合金的强度和韧度也提出了更高的要求，铸造铝合金迎来了新的发

展时代。本文主要研究高强韧铸造铝合金材料，简要阐述高强度铝合金的研究现状，分析几种铝合金的特点和使用情况，并针对铸造铝合金中存在的问题提出了

解决办法和改善其韧度的途径，有助于推动实现铸造铝合金行业的稳定发展。

关键词：重工业；铸造铝合金；强度；韧度；稳定发展

前言：铸造铝合金价格低廉、组织各向同性、易于生产复杂的零部件，同时

由于铸造铝合金的轻质结构特性，硬度高，散热性强，被广泛使用于汽车、船舶、航天等领域，可以简化形成工艺、节约加工成本，对促进我国重工业领域发展有

着重要的意义。

一、高强韧铸造铝合金的研究现状

（一）Al-Si系合金

Al-Si铝合金具有质量轻、铸造性能好、收缩率小、热敏感度低、加工性能

优良、价格低等特点，应用比较广泛的Al-Si合金为A357，该种合金是50年代

末美国科学家试验出来的。现在工程结构中铝合金铸件越来越多，且性能要求越

来越高，包括耐腐蚀性、耐高温和高强度等特性。研发新型高强度铸造铝合金成

为近年来的研究热点，此时Al-Si-Cu-Mg铸造铝合金进入人们的眼帘，该合金具

有优异的铸造性，经过热处理固化后可以获得良好的力学性能。

（二）Al-Cu系合金

Al-Cu系铸造铝合金具备高强度、良好的延展和塑形性能、另外还具有优异

的高温、易切削性能。法国20世纪试验成功的A-U5GT合金是在Al-Cu系铸造铝

合金基础上添加了Mg和Ti元素，不仅具备Al-Cu系铸造铝合金的优异性能，还

有优良的综合力学性能。同样我国也试验出了高强高韧度铸造铝合金，取得了瞩

目的成就。我国于20世纪70年代末试验出ZL205A合金，该种合金在常态下就

有具备良好的抗压和延展性能，是目前世界上强度最高的铸造铝合金，同时具有

非常优越的塑形能力、韧性、抗应力腐蚀性和易于焊接等特点，因此该种合金被

广泛应用于航空航天领域，用于制造各种零部件，使用效果良好。但是Al-Cu系

铸造铝合金结晶范围宽、铸造性能差、容易产生缩孔和裂纹等现象，因此不适用

于精密零件的铸造。经过近年来的研究，对合金进行提纯，Al-Cu系铸造铝合金

未来会发展成高性能铸造铝合金。

（三）Al-Mg系合金

Al-Mg系合金的性能要比Al-Si系合金要差，但是Al-Mg系合金具备优良的

力学性能、高强度、良好的延展性和韧性、切削加工性能好、耐腐蚀。Al-Mg系

合金中镁的质量分数在12%-13%时铝合金的性能最好，拉伸强度高达440 MPa，

延展率也比较高。近年来低镁低硅的Al-Mg-Si系铸造铝合金也成为了研发重点，其流动性好、收缩力小、敏感度低、铸造性能好、有较好的力学性能、耐腐蚀性，与其他镁铝系合金相比性能更加突出，通常用于需要一定抗腐蚀性能的部件上。

（四）Al-Li系合金

Al-Li系合金是近年来铝合金领域研究的新目标，该合金具有高比强度、高

比模量、优良的低温性能、抗腐蚀性和成型能力，用该合金代替常规的铝合金，

可以有效地减少部件的质量和韧度，复制能力也要好于传统的铝合金，也被用于

航空航天中，具有广阔的应用和发展前景[1]。

二、高强韧铸造铝合金的韧性增强措施

（一）优化合金成分

合金成分优化是提高铸造铝合金韧性的主要途径，各种微量元素会对合金铸

造性能和力学性能产生很大影响。优化合金的元素含量，并通过热处理增强固液

强化和第二相强化，会使合金的力学性能和强度得到大幅度提高。合金化元素主

要为Cu、Mg、Si等元素，其中Si和Cu是所有的过共晶铝合金所使用的重要合

金元素。在合金中硅的含量超过20%，可以提高合金的流动性和充型性、硬度、

低温延展性和表面耐磨性；铜的含量一般在5%左右，能提高合金的抗拉强度。微

量元素主要为Cd、Mn、Se、Ti等，微量元素可以起到沉淀强化和弥散强化的作用，其他几种微量元素则起到细化的作用。严格控制合金的杂质元素含量，也可

以获得高强韧度铸造铝合金材料，故要尽量减少合金的其他杂质元素。

（二）烙体处理

铝的化学性质比较活泼，在熔炼过程中容易与水蒸气高温进行氧化，并且吸

收氢气，氢气溶解在铝合金中会使铸件上产生孔洞，降低了铝合金铸件的拉伸强

度和延展性。针对Al-Cu系铸造铝合金，科学家研制出了一种过热快速处理新工艺，合金在900℃左右保温15分钟，加入1/2或者1/4的回炉料进行现场浇灌，

然后快速搅拌，经此工艺处理的合金力学性能明显提高，硬度和韧度也显著上升。

（三）晶粒细化

合金的晶粒尺寸严重影响着合金的力学性能，晶粒尺寸越小，合金的强度越高，韧性越好，因此晶粒细化是提高铝合金强度和韧度必不可少的技术手段。晶

粒细化的方法主要有提高冷却速度、在凝固时振动、向熔体中添加晶粒细化剂、

增加凝固时的非自发晶核等办法。合金的强度和延展性与晶面间距有关，晶面间

距越大，铸造铝合金的强度越低，延展性越差。铸造铝合金和其他合金一样，在

凝固过程中会形成树枝晶，铸造铝合金的力学性能也极大地取决于枝晶间距和大小，枝晶的尺寸减小，合金的拉伸强度和延展性将会提高。

（四）变质处理

变质处理的方法主要用来加工Al-Si合金，Al-Si合金还未变质时，共晶硅

以粗大的针片形态出现，严重切裂基体，并且应力更加集中，导致合金的力学性

能和韧性下降。通过变质处理，改变共晶硅的形态，减少共晶硅对合金的影响，

可以有效提高合金的性能。作为变质剂的元素有Na、Sr、Ba等，广泛使用的只

有Na和Sr这两种元素[2]。

三、高强韧铸造铝合金的发展