12 吉林大学姜启川-铸造高性能铝合金

Cu
0.68 0.58 0.65 0.63
Mn
0.28 0.26 0.31 0.29
Mg
0.35 0.40 0.37 0.43
Zn
0.32 0.31 0.28 0.39
Ti
<0.10 <0.10 <0.10 <0.10
Others
<0.01 <0.01 <0.01 <0.01
Al
Bal. Bal. Bal. Bal.
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1.5.5 不同冷却速度对过共晶铝硅合金的影响
图11 850℃浇注的Al-20wt.%Si合金在不同冷却速度下的SEM：（ａ）90 ℃/s， （ｂ）293 ℃/s，（ｃ）375 ℃/s，（ｄ）图11（ｃ）中指定区域的放大图片
图12 Al-20wt.%Si合金薄带自由面处初生硅的形貌： （ａ）“团簇”的初生硅的SEM，（ｂ）初生硅的FESEM
表2 实验中选取的过共晶铝硅合金的化学成分（wt.%） Material
Al-23wt.%Si alloy Al-26wt.%Si alloy Al-28wt.%Si alloy Al-31wt.%Si alloy
Si
23.49 26.74 28.51 30.87
Fe
0.76 0.83 0.94 0.87
零部件已成发展趋势。在铸造铝合金中Al-Cu合金由于具有高
强、高韧、良好的切削加工性能等优点而引起人们的极大关注。 但其强韧性、耐蚀性和抗蠕变性还远不能满足军工、航天与汽 车等制造业的快速发展的需求。 本研究变质铸造Al-Cu合金 具有更高的强韧性、耐蚀性和抗
蠕变性，可更大范围代替钢铁材料制造汽车零部件（如底盘件、
Mater. Sci. Eng. A 437 (2006) 451-455 吉 林大学
1.5.2 熔体温度对变质后过共晶铝硅合金的影响
图9 复合变质后过共晶Al-20wt.%Si合金的SEM：（ａ）750℃浇注， （ｂ）850℃浇注，（ｃ）950℃浇注，（ｄ）1050℃浇注
图10 复合变质后过共晶Al-20wt.%Si合金中 初生硅平均尺寸与熔体温度之间的关系曲线
Mater. Sci. Eng. A 437 (2006)吉 451-455 林大学
1.5.6 复合变质剂衰退行为的研究
图13 采用新型复合变质剂变质的Al-20wt.%Si合金在不同保温时间下的组织 (a) 5min (b) 15min (c) 30min (d) 90min (e) 180min (f) 240min
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图7（a）未变质、中间合金变质剂变质和复合变质剂变质的Al-20wt.%Si合金 的冷却曲线，（b）图8（a）中指定区域的放大图片
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1.5 工艺因素对初生硅形貌和尺寸的影响
1.5.1 熔体温度对未变质过共晶铝硅合金的影响
图8 过共晶Al-20wt.%Si合金的SEM：（ａ）750℃浇注，（ｂ）850℃浇注， （ｃ）950℃浇注，（ｄ）1050℃浇注，（ｅ）图8（ｄ）指定区域的放大图片
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1.1.4 锶变质 1992年， Yilmaz等人采用定向凝固设备研究了锶对过共晶铝硅合金中初生硅生 长的影响。
1.1.5 稀土变质 1994年，Kowata等人提出稀土可以变质过共晶铝硅合金中的初生硅。
1.1.6 复合变质
磷＋钠、磷＋锶、磷＋碳、磷＋稀土、磷＋硫、磷＋钡和铈＋锶的复合变质 等。
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2.1.2 铸造Al-Cu合金蠕变性能的研究
目前，人们对铝合金蠕变行为的研究主要集中在粉末 冶金法（Powder Metallurgy, PM）制备的铝合金及铝基复 合材料和一些变形铝合金上 ，而对于铸造铝合金的蠕变行
为的研究报道相对较少，需进一步研究 。
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2.1.3 铸造Al-Cu合金腐蚀行为的研究
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图16 初生硅尺寸随重熔次数的变化
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1.6 过共晶铝硅合金的力学性能及磨粒磨损行为
1.6.1 复合变质与热处理对过共晶铝硅合金抗拉强度的影响
图17 热处理及复合变质对过共晶Al-20wt%Si合金抗拉强度的影响
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图18 过共晶Al-20wt.%Si合金拉伸试样的断口形貌: (a)未变质及热处理的合金 (b)图18 (a)中指定区域的放大图片 (c)变质及热处理的合金
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1.3 普通过共晶铝硅合金中初生硅的生长方式
1.3.1 五瓣星形初生硅的生长
a b
图1 过共晶Al-20wt.%Si合金中的初生硅
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1.3.2 板片状初生硅的生长
图2（a）六边形板片状初生硅，（b）图2（a）中指定区域的放大图片
图3 具有比较低纵横比的板片状初生硅的SEM
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1.3.3 八面体初生硅的生长

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1.1 过共晶铝硅合金中初生硅变质剂的研究现状
1.1.1 磷变质 1933年，Sterner-Rainer发现磷可作为变质剂细化初生硅并且申请了专利。
1.1.2 钠变质
上世纪50年代初，一些学者发现钠能变质过共晶铝硅合金中的初生硅。
1.1.3 钙变质
2003年，Kim研究了钙对B390合金变质效果的影响。
前具有“孔洞”的星形、板片状及其它粗大不规则形状转变为变质
后无“孔洞”的细小规则块状； （2） 发现新型复合变质剂具有良好的抗衰退性，变质后合金熔体保温 时间长达240min时，合金中初生硅的平均尺寸仍不超过21mm，表 明变质后过共晶Al-20wt.%Si合金具有良好的变质遗传性；
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（3）揭示新型复合变质剂变质处理的过共晶铝硅合金具有良好的重熔 性，复合变质后的过共晶Al-20wt.%Si合金在一次重熔和二次重熔 后，合金中初生硅的平均尺寸分别为22mm和26mm，在随后的七次 重熔过程中，合金中初生硅的平均尺寸几乎保持不变，均为28mm；
图4（a）普通Al-20wt.%Si合金，（b）图4（a）中指定区域的放大图片
图5 八面体被任意截面截取后所得到的多边形轮廓： （a）三角形，（b）正方形，（c）梯形，（d）六边形
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1.4 变质对过共晶铝硅合金中初生硅的影响
图6 未变质和变质的Al-20wt.%Si合金的SEM：（a）未变质的合金， （b）中间合金变质剂变质的合金，（c）复合变质剂变质的合金
1.1.7 其它变质处理方法
电磁搅拌方法和熔体预处理等方法 。
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表1 目前国内外已开发出的变质剂对过共晶铝硅合金中初生硅的细化效果
变质剂的组成
铈、磷复合变质剂 铝、磷中间合金 铝、磷中间合金 铝、钙中间合金 磷、稀土、硫复合变质剂 磷铜、稀土复合变质剂
过共晶铝硅合金中初生硅 的含量（wt.%）
图19 过共晶Al-20wt.%Si合金拉伸试样断口的侧面上初生硅的形貌： （a）未变质及热处理的合金，（b）图19（a）中指定区域的放大图片， （c）变质及热处理的合金
Mater. Sci. Eng. A, 452-453 (2007) 吉341-346 林大学
1.6.2 复合变质与热处理对过共晶铝硅合金磨粒磨损性能的影响
J. Mater. Sci. 2007, 吉 In 林Press 大学
图20 不同含硅量的过共晶铝硅合金 中基体（共晶组织）的显微硬度
图21 不同含硅量的过共晶铝硅 合金的布氏硬度
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图22 磨损率曲线：（a）不同处理的Al-23wt.%Si合金， （b）不同处理的Al-26wt.%Si合金，（c）不同处理的Al-28wt.%Si合金， （d）不同处理的Al-31wt.%Si合金
（4）揭示过共晶Al-20wt.%Si合金采用复合变质处理后抗拉强度从264.5
MPa提高到317.5MPa，提高了20% ；复合变质的过共晶铝硅合金 （23、26、28和31wt.%Si）在15N载荷作用下的耐磨性分别比未变质 的提高了20%、18%、20%和17%。
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1.8 授权发明专利
新型高性能铸造铝合金
姜启川 吉林大学材料学院
2009.9
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1 新型变质铸造过共晶铝硅合金
普通过共晶铝硅合金（大量尺寸粗大的初生硅） 优点：高耐磨性、低膨胀系数、良好的铸造性能。 缺点：加工性能与表面光洁度差、刀具磨损严重。 新型变质过共晶铝硅合金（大量尺寸细小的初生硅） 优点：高耐磨性、低膨胀系数、良好的铸造性能、加工性能与表面 光洁度。 应用：轿车铝合金缸体用缸套、无缸套过共晶铝硅合金缸体、载重汽 车换挡拨叉等及潜在的应用前景，如轿车刹车盘等。 过共晶铝硅合金缸套与铸铁钢套相比：重量减少0.5kg以上；导热率提 高、提高发动机功率；降低活塞环磨损；与活塞热膨胀性匹配好、降低 噪音、提高功率；金属间结合匹配好、降低缸体扭曲、增加功率等优点。
当前，人们理论上分析了铝合金在点蚀以及晶间腐蚀 等方面的腐蚀过程及行为，提出了一些相应的腐蚀机制。
在此基础上，人们在铝合金腐蚀的防护和其耐蚀性的提高
等方面也开展了一些研究工作。
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2.2 RExOy对铸造Al-Cu合金凝固组织的影响
2.2.1 RExOy对铸造Al-Cu合金α-Al枝晶形成的影响
20 20 24 18.7 20 18
变质前初生硅 平均尺寸（mm）
150 90 120 ----150
变质后初生硅 平均尺寸（mm）
20 ～ 25 30 40 20.3 23 26
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1.2 过共晶铝合金中初生硅变质机制的研究现状
1.2.1 异质核心机制 有可能作为初生硅异质核心的高熔点化合物包括AlP、AlSb和Al2S3。 1.2.2 吸附毒化机制 Lu等人认为当变质剂原子半径与硅相原子半径之间的比值接近于1.65时， 则这种变质剂应当对初生硅具有良好的吸附毒化效果。 目前，关于钠（1.58）、锶（1.84）和稀土（1.49 ～ 1.59）对过共晶铝 硅合金中初生硅的变质机制，国内外的一些研究者大多倾向于吸附毒化机 制。
J. Alloys Compd. 421 (2006) 128 132 吉 林 -大 学
图14 复合变质后Al-20wt.%Si合金中初生硅 尺寸与不同保温时间之间的关系曲线
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1.5.7 复合变质后过共晶铝硅合金的重熔性
图15 变质后Al-20wt.%Si合金经过重熔后初生硅的组织 (a)未变质 (b)重熔1次 (c)重熔2次 (d)重熔4次 (e)重熔5次 (f)重熔9次
悬挂支架等）。
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2.1 铸造Al-Cu合金的国内外研究现状
2.1.1 铸造Al-Cu合金强韧性的研究
提高铸造Al-Cu合金强韧性的主要途径： （1）采用合理的热处理工艺；
（2）挤压变形获得大量弥散分布纳米级沉淀相粒子；
（3）通过稀土元素（REs）等进行变质处理，从而细化合金的 显微组织和影响合金中沉淀相的形核和生长。
图26 变质后过共晶Al-20wt%Si合金中初生硅的立体形貌（未热处理）
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图27 不同处理状态下的过共晶铝硅 合金在15N载荷时的磨损率
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图28 磨损率与载荷的关系
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a
b
c
图29 过共晶铝硅合金轿车刹车盘的研制
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1.7 结 论
（1）首次开发出新型过共晶铝硅合金复合变质剂，对过共晶铝硅合金中 的初生硅具有明显的变质效果，复合变质处理后初生硅的尺寸由变 质前的200mm左右细化到变质后的20mm左右；且初生硅形貌由变质
图2.1 不同RExOy含量的铸造Al-Cu合金的铸态组织 （a）未变质 （b）1.0wt.% ,（c）1.5wt.% , d）2.0wt.%
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2.2.2 RExOy作为初生α-Al相形核的异质核心
图2.2 未变质（UA）和变质（MA） Al-Cu合金的凝固曲线
发明专利名称：一种用于铝硅合金的变质剂及处理方法 专利号：CN200410010911.9 发明人：姜启川，许长林，卢猛，杨亚锋，王慧远，王金国，
赵宇光
1.9 发表论文
本研究成果在SCI收录杂志发表论文9篇。
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2 变质铸造高性能Al-Cu合金
随着汽车轻量化的需求，采用铝合金代替钢铁材料制造汽车
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图23 磨粒对过共晶铝硅合金试样的磨损表面破坏的示意图： （a）未变质的合金，（b）变质的合金
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图24 不同处理状态的Al-28wt.%Si合金在15N载荷下的磨损表面的SEM： （a）未变质的合金，（b）变质的合金， （c）未变质及热处理的合金，（d）变质及热处理的合金
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图25 未变质过共晶Al-20wt%Si合金中初生硅的立体形貌（未热处理）