铸造Al-Si合金中主要合金元素的物性及作用

铸造Al-Si合金中主要合金元素的物性及作用

方世杰1，赵玉谦1, 刘耀辉1，姚军1，2

1吉林大学南岭校区材料科学与工程学院, （130025）

2内蒙古工业大学材料科学与工程学院, （010062）

E-mail（fangshijie_jlu@）

摘 要： 合金元素的添加对提高铸造合金的性能具有极为重要的意义。本文系统地介绍了铸造铝硅合金中主要元素的发现年代、发现人、矿物资源、在地壳中的含量以及物理和化学性质；并对这些元素对铝硅合金的影响及其作用机理进行了论述。

关键词：铸造；铝硅合金；合金元素；物性

1.引言

铸造铝硅合金作为现代工业中使用最为广泛的铸造合金之一，以其重量轻、强度高、铸造成型性好和机械加工性能优良等诸多优点，被广泛应用于航空、航天、汽车及其它运载机械上[1]。特别是从上世纪70年代以来，汽车工业大量使用铝合金材料[2]。据统计，工业发达国家地轿车平均用量已达130kg以上，正在向270－300kg前进。其中铝合金铸件占75％以上，而Al-Si合金铸件又占铸件总量的80％以上。因此Al-Si铸造合金是最重要的汽车用合金[3]。但是，目前国内外现有牌号的铸造铝硅合金的力学性能在比强度和伸长率等方面还不能与高强铸钢相匹敌，难以满足当前及今后汽车、飞机等运载机械零部件工业的发展要求，因此人们正从优化合金成分、净化处理、细化变质处理及热处理等方面对其进行研究，以期提高其综合力学性能[1]。在各项措施中，以通过优化合金成分来提高铝硅合金性能的方法目前得到普遍认可[4,5]。本文通过对铸造铝硅合金中各主要合金化元素的分析，论述了它们对铝硅合金的作用及强化机理，期望能对今后研制高性能的铸造铝硅合金提供指导和借鉴。

2.主要合金元素的物性及作用

2.1铝（Al）Aluminum

原子量 26.9815 原子序数 13

原子半径（A O） 1.431 共价半径（A O） 1.18

离子半径（A O） Al3+ 0.57 0.50 原子体积（cm3/mol） 9.99

晶体结构 面心立方 还原电位(V) Al3+→Al, -1.662

电负性 1.5 氧化态 3

电子构型 [Ne]3s23p1 密度(g/cm3) 2.7

熔点(K) 933.25 沸点(K) 2793

熔化热(KJ/mol) 10.7 比热容（J/kg·K）900

基金项目：受吉林大学2004年创新基金(419070200004)资助；受吉林大学“985工程”汽车工程科技创新平台资助

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电阻系数（×10-6Ω·cm） 2.655

1825年丹麦人K. Oerstedt提炼出不纯物；1827年德国人Wohler制得纯铝。1886年，美国人Charles M. Hall和法国人Paul L.T. Heroult各自独立地研制出电解三氧化二铝制铝法，使铝不再是一种贵重金属[6,7]。

铝在地壳中的含量丰富，仅次于氧和硅，其丰度（以重量百分率计）居第三位，在金属元素中居首位；铝主要以铝矾土(Al2O3·XH2O)矿形式存在，是提取铝的主要矿物。 铝是最常用的有色金属，世界年产量比所有其它有色金属产量的总和还要多。纯铝呈银白色，质地较软，质量轻，延展性和韧性好，并有良好的导热性和导电性，导电性仅次于银和铜。铝还是良好的抗辐射材料。铝既有明显的金属性，也有明显的非金属性，是典型的两性元素[8]。铝和氧有很强的化学亲和力，与空气接触，表面迅速生成氧化物而变成暗灰色，因此铝合金在空气、淡水及许多介质（如汽油、机油、浓硝酸、硝酸盐及某些有机物）中有良好的耐蚀性。并且，由于三氧化二铝氧化膜的化学稳定性和熔点很高，故铝及其铝合金在高温下仍具有良好的耐蚀性和抗氧化性[6]。

纯铝强度很低（仅50MPa），需要加入镁、铜、锌等金属元素进行强化。铝合金热处理后强度能达到σb=490～588MPa，具有很高的比强度，适于做航空航天和汽车轻量化材料。铝是铝硅合金中的主要合金成分，由于铝和硅作用能形成低熔点的共晶体，所以能显著提高合金在熔融状态下的流动性，使合金的铸造性能大为增强。但值得注意的是铝硅合金在共晶点处的流动性并不是最好，由于硅的结晶潜热大，硅的含量直至Si20%处，流动性仍比共晶成分合金好。

2.2硅（Si）Silicon

原子量 28.0855 原子序数 14

原子半径（A O） 1.172 共价半径（A O） 1.126

离子半径（A O） Si+4 0.39 0.41 ; Si-4 2.71 ; Si-1 3.84

原子体积（cm3/mol） 12.1 晶体结构 金刚石立方

+6

还原电位(V) SiF6B2-→Si F, -1.2 电负性 1.8

氧化态 （2），4 电子构型 [Ne]3s23p2

密度(g/cm3) 2.33 熔点(K) 1685

沸点(K) 2630 熔化热(KJ/mol) 50.550

比热容（J/kg·K）711 电阻系数（×10-6Ω·cm） 85000

1811年法国人Gay-Lussac和The/nard制得纯净硅；1823年（也有资料认为是1824年），由瑞典人Jons Jakob Berzelius分离出纯硅后并确认为元素[2]。

硅的含量仅次于氧，在地壳中的含量排在第二位。二氧化硅和各种硅酸盐是硅的主要存在形式，地球上大部分的岩石、土壤和沙砾的主要成分都是硅的氧化物。纯净硅的存在形式分为晶体和无定型体两种。硅晶体与金刚石结构相同，因为硅和碳属于周期表中的同一族，因此硅的熔点、沸点较高，性质脆硬。纯净硅通常通过加热石英砂和焦碳至3000℃的高温

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得到[7,8]。

纯铝硅合金被认为是一种简单的共晶型合金，由于在共晶温度（577℃）时硅在铝中具有最大的溶解度1.65%，在室温下的溶解度是0.05%[9],高温与室温之间的固溶度差较小，不会有明显的时效强化作用。但是硅有足够的溶解能力，并对沉淀强化起重要作用[10]。因此，一般认为纯铝硅合金是不能热处理的。另外，硅通常作为过剩相起强化作用（这是铸造铝硅合金的主要强化机制），并随着硅晶体（过剩相）的增加，其强度和硬度都相应地提高，当合金中硅含量超过共晶成分时由于多角形的板状初晶硅出现，过多的过剩相导致合金的强度和塑性急剧下降，所以二元铝硅铸造合金中的含硅量一般不宜超过共晶成分过多[11]。硅的显微硬度为1000～1300HV（纯Al为60～100HV），因此，随着硅含量的增加，材料耐磨性显著增加，但是硅含量的增加却导致合金机械加工性能的降低，此时不但塑性很低，强度也会下降；硅的热膨胀系数较小，使合金的抗热裂性能也较好；另外硅不仅不会降低纯铝基体良好的耐蚀性，还可以提高合金在中等酸性环境中的耐蚀性[12]。硅的结晶潜热大，直至Si20%处，流动性仍比共晶成分的合金好，这是铝硅合金流动性好的根本原因。

2.3铜（Cu）Cuprum

原子量 63.546 原子序数 29

原子半径（A O） 1.278 共价半径（A O） 1.17

离子半径（A O） Cu+2 0.70 0.72 ; Cu+1 1.0 0.96

原子体积（cm3/mol） 7.12 还原电位(V) Cu2+→Cu,0.3402

晶体结构 面心立方 电负性 1.9

氧化态 1，2 电子构型 [Ar]3d104s1

密度(g/cm3) 8.96 熔点(K) 1357.6

沸点(K) 2836 熔化热(KJ/mol) 0.657

比热容（J/kg·K） 385 电阻系数（×10-6Ω·cm） 1.67

人类很早就认识铜，公元前9000年伊拉克已发现有铜制珠宝；我国夏代早期（约公元前21世纪）已进入红铜时代，夏代晚期（约公元前16世纪）属青铜时代。

在人们的印象中，铜在自然界储量非常丰富，但实际它是十分稀有的元素，在地壳中的含量仅占0.007%。自然界有以单质形态存在的铜，称为自然铜。纯铜呈现有金属光泽的紫红色，质地坚韧、柔软。自然界存在天然单质铜，但铜更普遍的来源是金黄色的黄铜矿（CuFeS2），鲜绿色的孔雀石（CuCO3Cu(OH)2），深蓝色的石青（2CuCO3Cu(OH)2）等。铜是导电性最好的金属之一，导电性、导热性仅次于银，但价格比银便宜得多。铜很软，具有中等硬度；有良好的延展性，1g的铜可以拉成3000m长的细丝，或压成10多平方米几乎透明的铜箔；铜的强度为σb=240MN/m2。尽管铜不活泼，但在空气中也会慢慢地形成一层碳酸铜（CuCO3）或硫酸铜（CuSO4）保护层，即所谓的“铜绿”。“铜绿”保护层能保护其下的铜不再继续被腐蚀，铜的耐腐蚀性属中等[6,7]。

在室温下Cu在Al中的溶解度是0.2%[9]，能形成有限固溶体，由于第二相Cu原子的挤入，使固溶体产生严重的晶格畸变，阻碍了位错的运动，提高了合金的强度，因此铜具有较大的

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