高强韧铸造铝合金材料研究进展
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高强韧铸造铝合金材料
在高强韧铸造铝合金的发展过程中， +,-%./ 占有 重要的地位。+,-%./ 是法国人于 #’ 世纪初研制成功 并投入生产应用的， 在目前具有代表性的高强韧铸造铝
之一。合金化的目的有： 如 67， $%， $8 等； ! 固溶强化， " 第二相强化， 包括沉淀强化和弥散强化， 如 69， ， 等； $8 2: # 形成外来晶核， 起细化晶粒作用， 如 ;3， <， *=， > 等。
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力
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性
能
硬 度 I<2 &,, &’, &’, &/, &), -, &).
此， 提高熔体洁净度已成为获得高强韧材料和高质量铝 铸件的重要因素。近年来铝熔体净化技术如旋转叶轮 法、 喷射熔剂法、 过滤技术以及电磁分离非金属夹杂等
［)， C， -］ 得到了较大发展 。
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合金 代号 *+’,&!
性能， 特别是对抗拉强度和伸长率会造成很大的损害。
［/］ （体积） 时， 会大大降低塑性 。因 当孔隙度超过 , 5 .!
铸造 热处理 抗拉强度!H 屈服强度!, 5’ 伸长率". 方法 状态 $01 $01 ! 2 2 2 2 2 J 2 2 J L J ;/ ;. ;. ;B ;4 ;. ;4 ;B ;B ;. ;. )B. ( )4, //, ( /4, /C, .&, /-. )C. ( /,. /). /B, /B, ).C ( /., /’, ( /4, — ).. ( ),. )/. /), /.. ’’’ ( ’/’ )/. )C, )B. )/, ( )C, )’. ( )-, &4 ( &C ( &. &) 4 )5/ &- ( ’) && 5 4 .5, -5, /5, ( 45, /(B
［#］ 学性能 和 抗 应 力 腐 蚀 能 力 。但 由 于 含 有 ’ 2 )! = 材料成本很高， 仅用于军事或其他要求高的 $ 2 ’!的银，
领域， 限制了其应用范围。 在高强韧铸造铝合金领域， 我国取得了令世界瞩目 的成绩。(’ 年代至 "’ 年代， 北京航空材料研究院研制 成功了 >?#’%+ 合金。 >?#’%+ 合金成分复杂， 含有 67， （ /(） 的抗 9:， >@， A， 6B， /1， C 等 " 种合金元素。 >?#’%+ 拉强度为 %$’ 9DE， 是目前强度最高的铸造铝合金材
! 5 ! 5 ! 控制杂质元素的含量 控制杂质元素的含量也是获得高强韧铸造铝合金 材料的重要途径。对 !"#67 系合金而言， 23， @A， 0H， N3， 如果能严格控制它们的含量则可以 2H 等是杂质元素， 明显提高材料的性能。如高纯 ’,B 5 , 合金的性能 （砂型 铸造、 可达到抗拉强度 /). $01， 屈服强度 )/. ;4 状态） 伸长率 && 5 4!； 而普通 ’,B 5 , 合金的性能则要低 $01， 得多。 !5& 细化晶粒 合金的晶粒尺寸对力学性能有着极其显著的影响。 I1""#0AO:P 公式定量地描述了晶粒大小与金属强度的关 ［&,］ 系， 晶 粒 尺 寸 越 小， 强 度 越 高； 曾对 GQR1"O 和 $3Q=1 !).B 和 !).4 合金枝晶间距对合金性能的影响进行了 研究， 结果发现合金的强度和伸长率都随枝晶间距的增
入法国国家标准和宇航标准， 高纯 （即 ! （ 01） "’ 2 ’%!， （ 34） 的这种铝合金具有很好的力学性 ! " ’ 2 $’ ! ）
本课题为国防预研基金资助项目 （ ［!!］ 装计字第 "!#） 李元元， 男， 教授、 博士生导师， 广州 （%$’()’） $!%& 年出生，
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收稿日期： #’’’ * ’$ * ’&
［$］ 合金中它的历史最久、 应用最为广泛 。 +,-%./ 已列
韧性特别好的铸造铝合金材料 （以下 >?#’%+ 成分相近、 称高韧 #’%+） 伸长率达 $!! = #F!， 冲击韧度为 $&$ = F’) GH I J# 。 上述 F 种高强韧铸造铝合金同属于 +5,67 系。该 系列合金强度高， 塑性和韧性也较好。但铸造性能较 差， 具体表现为热裂倾向大、 流动性较差、 补缩困难。此 外， 该系列合金抗蚀性能较差， 有晶间腐蚀倾向。
综
述
特种铸造及有色合金
!""" 年第 # 期
高强韧铸造铝合金材料研究进展 !
华 南 理 工 大 学 李元元!! 郭国文 罗宗强 龙 雁
摘
要
汽车、 航空两大领域中零件轻量化的需求促进了高强韧铝合金的研究。高强韧铸造铝合金材料近年来的研究进
展。依据金属强化理论， 提出了获得高强韧铸造铝合金材料的途径， 并指出了进一步研究的方向。
修回日期： #’’’ * ’& * $&
高的强度、 好 !"#$% 系合金具有优良的力学性能， 的延性和韧性， 抗蚀稳定性和切削加工性都好。 $% 的 质量分数 为 &’! ( &)! 的 铝 镁 合 金 的 力 学 性 能 好 于 （ *!"$%&,） ， 其抗拉强度可达 ’-. ( //, $01， 伸长 *+),& 率 &’! ( ’.!。 !"#$% 系合金的主要缺点是裂纹倾向 大、 易出现氧化夹渣、 有自然时效倾向。美国牌号 ’’, ［’］ 和英国牌号 +$&, 与我国 *+),& 接近 。 好的抗蚀稳定 !"#23 系合金具有良好的铸造性能、 性和中等的切削加工性能， 具有一般的强度和硬度， 但 塑性较低。因此一般而言， !"#23 系合金不是高强韧铝 合金。但是， 文献 ［/］ 报道了一种改良的 *+&,4 合金 （以
也发现， 随晶粒尺寸的增加， 所有铸造铝合金的力学性
［)］ 能都减小； 王英杰 等研究了晶粒尺寸对高韧 ’,.! 合
金冲击韧度的影响， 结果表明合金的冲击韧度值随晶粒 尺寸的增大而减小。上述研究表明细化晶粒的确是获 得高强韧铸造铝合金的一条重要途径。
为了获得更细小的结晶组织， 铸造工作者对晶粒细 化的机理、 细化剂的种类、 加入量、 细化工艺等进行了大 量的研究。对细化剂的要求大致是高效、 长效、 净化、 加 入量少和初始显微组织好。目前用于铸造 !"#$% 合金的 变质剂有 &， 用于 !"#,- 及其固溶体型合 ’(， $)， *+ 等， 金的变质剂有 !"#.%， !"#/， !"#0)， 12 .%34 5 1632 ， !"#.%#6， !"#.%#, 等。
关键词：铸造铝合金
中图分类号： $%&’# ( !
高强韧材料
强化途径
文献标识码： （!"""） ) 文章编号： &""& * !’’+ "# * ""’, * "［#］ 能 。我国目前没有与它对应的牌号。
铸造铝合金因强韧性稍逊使其应用范围受到较大 的限制。许多重要用途如特种重载车负重轮、 航空用铝 合金等多采用变形铝合金， 而不是铸造铝合金。变形铝 合金通过挤压、 轧制、 锻造等手段减少了缺陷， 细化了晶 粒， 提高了致密度， 因而具有很高的强度、 优良的韧性以 及良好的使用性能。但是， 对设备和工装模具要求高， 工序多， 因此变形铝合金生产周期长、 成本很高。与变 形铝合金相比， 铸造铝合金具有价格低廉、 组织各向同 性、 可以获得特殊的组织、 易于生产形状复杂的零件、 可 以小批量生产也可以大批量生产等诸多优点。因此， 开 发出能够替代部分变形铝合金的高强韧铸造铝合金材 料及其铸造成形工艺可以达到以铸代锻、 缩短制造周 期、 降低制造成本的目的， 具有重要的理论意义和重大 的实际应用价值。
［!， # $ %］ 几种高强度铸造铝合金的力学性能
下称 *+’,4!） 。与 *+&,4 接近的牌号有美国牌号 )&- 和
［’］ 。 英国牌号 +$’&
几种典型的高强韧铸造铝合金材料的化学成分和 力学性能分别见表 & 和表 ’。
’
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获得高强韧铸造铝合金材料的途径
合金化 合金化是目前获得高强韧铸造铝合金材料的主要途径
发高强韧铸造铝合金材料的诸多方法中， 人们对合金化 投入的关注最多， 并取得了很大的成绩。有关合金化的 研究还有一定的潜力， 特别是对一些新开发的合金元素 如 $G， ?% 等在铸造铝合金中的作用机制可以开展研究。 纯化和净化说起来容易， 做起来难。与纯化和净化密切 相关的是原材料的质量和净化处理手段。研究表明， 铝 合金的组织具有遗传性， 因此高性能的铝合金材料对高 质量的原材料具有很大的依赖性。原材料的质量低不 仅影响到高强韧铸造铝合金材料的研究和开发， 更重要 的是影响到高强韧铸造铝合金材料的推广应用。在熔 体净化技术的研究及应用方面， 我国与发达国家的差距 更大。在合金化的研究日趋成熟、 可挖掘的潜力越来越 小的情况下， 纯化和净化必将越来越引起人们的重视。 !8! 开发配套的分析、 检测和控制设备 高强韧铸造铝合金材料对气体含量、 杂质含量、 熔 炼铸造工艺都很敏感。为了适应高强韧铸造铝合金的 严格要求， 必须进一步开发与它配套的精度高、 反应快 的分析、 检测和控制设备， 如能在炉前快速分析微量元 素和气体含量的分析设备， 能快速判断熔体变质效果的 检测设备， 能精确测量熔体温度并能自动调节的高精度 温控装置， 以及高效率、 高精度的除气装置等。
美国铝协会牌号 #’$ 2 （ 和 #’( 2 （ ’ $!(& 年） ’ $!(" 年） 都是 在 +,-%./ 基 础 上 经 改 造 而 形 成 的， （ $!") #’) 2 ’ ［$］ 年） 则等同于 +,-%./ 。#’$ 2 ’ （ +567)+8989:） 的商业 名称是 ;<,$， 是受美国专利保护的牌号， 具有很好的力
［&&］ 大而减小； 万建新 等在壁厚对性能的影响的研究中
即 ! （23） （@A） ! ! 所列数据是高纯的 ’,B 5 , 合金， !, 5 ,.!， !, 5 &,!。 2#砂型铸造， J#金属型铸造， L#熔模铸造
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纯化和净化 纯化和净化就是要降低材料中气体的含量、 减少夹
杂物、 控制杂质元素的含量。气体、 夹杂物和杂质元素 的不利影响有： 如脆性 ! 生成一些不希望出现的相， 相、 低熔点相等； 降低晶界强度； " 偏聚于晶界， # 降 低材料的致密度和连续性， 如气孔、 疏松； $ 产生应力 集中， 如膜状夹杂物。 减少夹杂物 ! 5 ! 5 " 降低气体含量、 氢是唯一大量溶于铝熔体中的气体。夹杂物是指 存在于液相线温度以上的任何固相或液相的外生杂质。 铝合金中常见的非金属夹杂有氧化物、 碳化物、 氮化物、 硼化物等， 大都以颗粒状存在， 典型的颗粒尺寸在 & ( 而疏松对力学 ), % M 范围内。氢和夹杂往往导致疏松， 万方数据 /B
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高强韧铸造铝合金材料
在高强韧铸造铝合金的发展过程中， +,-%./ 占有 重要的地位。+,-%./ 是法国人于 #’ 世纪初研制成功 并投入生产应用的， 在目前具有代表性的高强韧铸造铝
之一。合金化的目的有： 如 67， $%， $8 等； ! 固溶强化， " 第二相强化， 包括沉淀强化和弥散强化， 如 69， ， 等； $8 2: # 形成外来晶核， 起细化晶粒作用， 如 ;3， <， *=， > 等。
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［)， C， -］ 得到了较大发展 。
*+’,.! 高韧 ’,.! ’,B 5 ,! FG K & *+&,4!
［!， # $ %］ 几种高强度铸造铝合金的化学成分
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为了获得更细小的结晶组织， 铸造工作者对晶粒细 化的机理、 细化剂的种类、 加入量、 细化工艺等进行了大 量的研究。对细化剂的要求大致是高效、 长效、 净化、 加 入量少和初始显微组织好。目前用于铸造 !"#$% 合金的 变质剂有 &， 用于 !"#,- 及其固溶体型合 ’(， $)， *+ 等， 金的变质剂有 !"#.%， !"#/， !"#0)， 12 .%34 5 1632 ， !"#.%#6， !"#.%#, 等。
关键词：铸造铝合金
中图分类号： $%&’# ( !
高强韧材料
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铸造铝合金因强韧性稍逊使其应用范围受到较大 的限制。许多重要用途如特种重载车负重轮、 航空用铝 合金等多采用变形铝合金， 而不是铸造铝合金。变形铝 合金通过挤压、 轧制、 锻造等手段减少了缺陷， 细化了晶 粒， 提高了致密度， 因而具有很高的强度、 优良的韧性以 及良好的使用性能。但是， 对设备和工装模具要求高， 工序多， 因此变形铝合金生产周期长、 成本很高。与变 形铝合金相比， 铸造铝合金具有价格低廉、 组织各向同 性、 可以获得特殊的组织、 易于生产形状复杂的零件、 可 以小批量生产也可以大批量生产等诸多优点。因此， 开 发出能够替代部分变形铝合金的高强韧铸造铝合金材 料及其铸造成形工艺可以达到以铸代锻、 缩短制造周 期、 降低制造成本的目的， 具有重要的理论意义和重大 的实际应用价值。
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美国铝协会牌号 #’$ 2 （ 和 #’( 2 （ ’ $!(& 年） ’ $!(" 年） 都是 在 +,-%./ 基 础 上 经 改 造 而 形 成 的， （ $!") #’) 2 ’ ［$］ 年） 则等同于 +,-%./ 。#’$ 2 ’ （ +567)+8989:） 的商业 名称是 ;<,$， 是受美国专利保护的牌号， 具有很好的力
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纯化和净化 纯化和净化就是要降低材料中气体的含量、 减少夹
杂物、 控制杂质元素的含量。气体、 夹杂物和杂质元素 的不利影响有： 如脆性 ! 生成一些不希望出现的相， 相、 低熔点相等； 降低晶界强度； " 偏聚于晶界， # 降 低材料的致密度和连续性， 如气孔、 疏松； $ 产生应力 集中， 如膜状夹杂物。 减少夹杂物 ! 5 ! 5 " 降低气体含量、 氢是唯一大量溶于铝熔体中的气体。夹杂物是指 存在于液相线温度以上的任何固相或液相的外生杂质。 铝合金中常见的非金属夹杂有氧化物、 碳化物、 氮化物、 硼化物等， 大都以颗粒状存在， 典型的颗粒尺寸在 & ( 而疏松对力学 ), % M 范围内。氢和夹杂往往导致疏松， 万方数据 /B