铸造铝合金现状及未来发展

21世纪铸造技术论坛特种铸造及有色合金　1998年第4期

铸造铝合金现状及未来发展

北京航空材料研究院Ξ　熊艳才ΞΞ　刘伯操

摘　要　综述了传统铸造铝合金,A l2Si系,A l2Cu系等的研究现状和发展,介绍了先进铸造铝基复合材料的研究和应用前景。提出面对21世纪的挑战,铸造铝合金的研究和应用必须与先进的制造技术、工

艺技术结合起来,使铸造铝合金这种传统的金属材料在新世纪焕发新的光彩。与此同时,随着现代工业

的飞速发展,尚需不断地开发研究新合金。

关键词:铸造铝合金　研究　开发

Rev iew and Prospect of Ca st A lu m i nu m A lloy

X iong Yanca i　L iu Bochao

(Be ij i ng I n stitute of Aeronautica lM a ter i a ls)

ABSTRACT　T he p resen t research and developm en t of classic cast alum inum alloys,A l2Si,A l2Cu et al,have been review ed in th is p ap er.T he alum inum2m atrix com po sites has also been review ed.How2 ever,faced the challege of21st cen tu ry,the classic m aterial m u st be connected w ith the developm en t of advanced m anufactu re techno logy and casting p rocess techno logy.Fu rtherm o re,w ith the developm en t of m odern indu stry,new cast alum inum alloys need to be develop ed and researched.

Key W ords:Ca st A lu m i nu m,Research,D evelp m en t

0　前　言

铸造铝合金为传统的金属材料,由于其密度小、比强度高等特点,广泛地应用于航空、航天、汽车、机械等各行业。随着现代工业及铸造新技术的发展,对铸造铝合金需求量越来越大。例如,80年代末到90年代初,在铸件总量停滞甚至下降的时候,日本的铝铸件产量一直保持着年递增10%左右的高增长率[1]。又以汽车工业为例,由于要降低能耗,汽车需减重,各国广泛地采用铝等有色铸件代替钢铁铸件。到2001年,小汽车总重将降低为800kg,其中钢铁零部件为200kg,铝合金零部件为275kg,镁合金将增为40kg[2]。而汽车零部件70%为铸件,由此可以看出,铸造铝合金的研究及应用将继续得到发展。

铸造铝合金的研究一直备受关注,由于铝合金的熔点相对较低,故许多学者以其为对象研究铸造过程的机理。同时,为全面发挥铝合金潜力,在铝合金熔炼工艺及铸造工艺上的研究较多,如:铝合金净化、变质、细化、合金化、纯化等,这些先进的工艺技术研究旨在改善铸造合金的工艺性,进一步提高合金的性能,生产出优质铸件,以满足人们对铸件的越来越高的要求。此外,许多特种铸造铝合金也相继研制出,如高强度铸造铝合金Z L205A,Ρb可达500M Pa;耐热铸造铝合金Z L208,使用温度为250～350℃[3]。

近年来,铸造铝合金的研究也得到相应的发展,其中发展较为迅速的是铸造铝基复合材料。铸造A l2Si基Si C颗粒增强复合材料的研究和应用相对成熟。随着Si C颗粒的加入,提高了合金的性能,尤其是刚性和耐磨性,并已应用到航空、航天、汽车等领域[4],具有广阔的应用前景。此外,一些新型特种功能的铸造铝合金材料也处于研究应用阶段。

尽管铸造铝合金具有广阔的应用前景,但其研究与应用也面临着严峻的挑战。首先,随着现代工业的飞速发展,人们对铸件的可靠性等要求越来越高,同时对合金综合性能和特种性能的要求不断提高。如何使传统的铸造铝合金在新世纪继续保持发展势头,如何开发研制新合金满足各种需要,使得铸造铝合金这种传统的合金材料焕发新的光彩,是摆在我们面前的重要课题。

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ΞΞ熊艳才　男,1966年11月生,湖北武昌人。1989年毕业于哈尔滨工业大学,1996在华中理工大学取得博士学位,现任北京航空材料研究院高级工程师。研究方向为铸造合金及工艺。在读期间曾研究了耐水砂磨损新型高铬白口铸铁,并研制出大型引黄用泵叶轮铸件;研究了铝合金液态质量控制技术等课题。工作期间以铸造铝合金及工艺的研究为主,从事铝锂合金、高强铝合金及工艺、大型复杂航空铝合金铸件的研究与开发工作,还开展了大型复杂航空铝合金铸件铸造过程的模拟与测试的研究工作,并应用快速成型技术进行了铸件的研制。已取得大型复杂航空铝合金铸件封闭型腔、细长孔铸造专利二项。在国内外学术刊物上发表论文10余篇。

北京航空材料研究院,北京(100095) 收稿日期:1998-03-20

1　传统铸造铝合金研究

几十年来,围绕铸造铝合金成分、组织、性能进行了大量的研究,使传统的铸造铝合金综合性能上了一个新台阶。其中研究和应用较多的是A l2Si系合金和A l2Cu 系合金。与此同时,铝合金的熔炼及处理技术也飞速地发展,一方面这些先进的合金液处理技术提高了合金性能及铸件的整体性能;另一方面,利于生产和环境保护。下面针对上述两个方面进行阐述。

111　铸造铝合金成分、组织、性能的研究

11111　A l2Si系合金

A l2Si系合金具有良好的铸造性能,故它是研究和应用最为广泛的铸造铝合金,适用于各种铸造方法。Si 作为该类合金的主要合金元素加入,提高了合金的铸造性能,改善了流动性,降低了热裂倾向性,减少了缩松,提高了气密性,可获得组织致密的铸件,该类合金具有良好的抗蚀性,中等强度,但塑性较低。

Si是该类合金组织中的第二相,它虽改善了合金的铸造性能,但Si对合金的基体强度与韧性等均有所削弱(w Si>7%)。因此,A l2Si合金的研究主要是如何通过合金元素强化、改变第二相组织、减少合金杂质含量等,以提高合金的力学性能。

(1)合金元素对A l2Si合金性能的影响

M g是A l2Si合金中主要的强化元素,M g与Si经热处理强化形成M g2Si沉淀相,有效地提高了合金的性能。随着M g含量的增加,合金强度增加,但延性下降。对于356合金,每增加0.01%的M g,合金强度增加6189M Pa,但对于357合金,却只增加一半[5]。最新研究表明,M g可抑制Fe相的有害作用。当Fe的含量较低时,M g与Si仍形成M g2Si相,当含Fe量增加时,可形成A l2Fe2Si2M g化合物,从而减少Fe的危害[6]。

Fe是A l2Si合金中另一个十分重要的元素,Fe在合金中形成一些条状的脆性金属间化合物,如FeSi A l5等,即使是微量的Fe对合金的韧性与延性都有极大的影响。当Fe含量不超过0.5%时,可使合金的强度略有升高,但超过0.5%后,合金的强度缓慢下降[7]。减少Fe 相的有害作用,一方面可通过提高冷却速度,细化Fe 相,另一方面主要通过合金元素“中和”。M n能改变Fe2 Si A l5的条状组织,形成(Fe M n)3Si2A l15的细小颗粒,对合金韧性基本无损,但Fe和M n的含量超过0.8%时,便形成六方晶球,合金性能便下降。与M n相似,C r在A l2Si合金中形成(C r,Fe)Si4A l13的团状组织,可减少Fe相的危害,但C r和M n均不能改善合金的抗裂纹扩展性能[8]。最近研究表明,微量的B e即w Be为(5～10)×10-6时可防止合金氧化并提高合金的延性[5,9],B e的加入,改变了含Fe相的长条状结构,使之形成短条状和立方晶体,从而提高了合金的韧性和延性。

其他合金元素,如Cu,Zn等均对合金韧性有不利的影响,故一般作为杂质元素来控制。T i和B是微合金化元素,可细化合金组织、改善合金性能,但过多会引起中毒现象[10]。T i含量的范围一般为0.05%～0.2%,过多的T i对合金的力学性能有损。有些研究者指出,过剩的T i A l3阻止热处理过程中M g2Si相的析出[11]。

(2)变质处理

A l2Si合金的力学性能与其组织中第二相——共晶硅的形态与分布紧密相关。改变共晶Si的形态,减小其对基体性能的削弱作用,是提高合金性能的有效途径。自1920年Pacz[12]发现N a对A l2Si合金有变质作用以来,众多学者在此方面进行了大量的试验研究,A l2Si合金的变质机理,已逐渐被人们所认识,并已研制出多种变质剂,且可对变质效果进行控制。

A l2Si合金的变质机理有两种说法,核心说与生长抑制说。现在一般倾向于后者。许多学者研究了A l2Si 合金中共晶Si的生长机制[13～15],共晶硅在生长时存在内部缺陷[14],并沿〈211〉方向择优生长成板片状,板片状的共晶硅可通过小角度机制及大角度机制生成孪晶[13]。变质元素的加入,消除了共晶Si生长的固有台阶,产生大量高密度孪晶,变为T PR E(Tw in P lan R een tran t2Edge)生长机制,择优方向为〈100〉,共晶硅呈纤维状[15]。抑制共晶Si的生长,需要有外来质点封锁其固有台阶,这些外来质点的最佳原子半径为0.196 nm[13]。原子半径与此值相近的元素可作为A l2Si合金的变质剂,经试验研究,这类元素主要有:N a,Sr,T e,

B a,Sb,K,R E,Y,B,S等[16]。而目前应用较广泛的是N a和Sr。Sr变质与N a变质比较起来有许多的优点,同时也是国际上研究和应用的趋势[17]。Sr变质可使A l2Si合金的强度提高20%左右,伸长率可提高2～3倍[18]。气体精炼与加Sr变质是A l2Sr合金生产的主要趋势。

此外,与铸铁中改变石墨形态类似,即石墨球化后,铸铁性能大幅度提高。最近,已有学者从事A l2Si合金共晶硅球化研究工作,通过液态处理与热处理相结合,可使共晶硅团球化[19],但尚未见详细报道。

11112　A l2Cu系铸造合金

A l2Cu系铸造铝合金牌号很多,Cu作为主要合金元素加入,可提高合金的强度,改善高温性能,同时,也利于材料的机加工。但A l2Cu系合金铸造性能较差,热裂倾向大,并有晶间腐蚀和应力腐蚀倾向。A l2Cu系合金可分为两大类:高强度铸造铝合金和耐热铸造铝合金。由于耐热铸造铝合金的可使用温度和高温性能低于T i合金,故现逐渐被T i合金取代。但高强度铸造铝合

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