压铸铝合金的研究进展

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2019家电模具高峰论坛征文

近年来随着汽车、航天及计算机行业的高速发展，对轻量化、高韧性及耐腐蚀的铸件提出更高的要求。针对铝合金零部件，高强度、高韧性、耐蚀合金、变形合金的加工成形及大型复杂合金零部件的成形工艺已成为轻量化合金的研究热点。但目前大部分铸造铝合金力学性能在铸态下多为低抗拉强度及低延伸率。

随着技术的发展，对于高强韧、轻量化的铸件需求也逐渐增多，采用压铸成型工艺制备铝合金零部件的优势得到关注。压铸工艺（压力铸造）为加工行业常用的一种特种铸造工艺，通过将流体金属或半流体金属在较高压力下以高速填充至压铸模中，在压力作用下成型并凝固，最终获得铸件。

由于压铸工艺成型的铸件具有尺寸精度高、强度高、材料利用率高等优势，压铸及高强压铸广泛应用于制造形状复杂、承受中度载荷的构件中。铝的密度仅为铁、铜、锌等合金的1/3左右，是目前满足轻量化要求的压铸合金材料之一，此外铝的比强度、比刚度较高，具有良好的塑性体流变特性，结晶温度范围窄，线收缩率小等优势，易于成型切削加工，有较高的力学性能及抗蚀性，基于以上优点，铝合金已成为高强韧压铸合金材料之一。

铝合金压铸件在汽车、航天等行业中具有优异的减重效果，20世纪80年代以来，汽车工业的高速发展带动了相关行业的发展，而汽车工业的发展主要围绕智能化、轻量化、模块化等进行。铝合金铸件、工程塑料、碳纤维替代铸铁铸件的技术得到了较快的发展，其中汽车中热交换器、发动机气缸、水泵、轮毂等40余种零部件应用铝合金铸造。

随着高强韧压铸技术的发展，20世纪90年代欧洲开发了一系列的高强韧压铸铝合金，并整合了产业链，包括铝合金的研发、零件的工业设计、压铸机等设备的配套等。现主要简述当前压铸铝合金的特性和分类，并介绍传统及新型压铸铝合金的研究现状及发展前景。

合金成分对铝合金性能的影响

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压铸铝合金的成分及其含量对铸件的力学性能影响显著，对于不同铸件的性能要求，应选用不同压铸工艺及相应的铝合金成分。目前工业领域中压铸铝合金应用广泛的是Al-Si二元合金系、Al-Mg二元合金系、Al-Si-Mg合金系、Al-Si-Cu合金系等，中国、美国、日本常用铝合金型号及成分如表1所示。一般传统的压铸铝合金中主要加入的合金元素有Si、Fe、Cu等，其中Si元素的加入能增强铝合金的流动性，Fe元素的加入有利于压铸件脱模，Cu元素的加入能增强铸件强度，各种不同合金元素的加入使铝合金具有不同的性质及优缺点。

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Al-Si系合金

压铸铝合金中加入Si元素会降低结晶温度的区间，共晶体含量会增加，且由于Si元素的结晶潜热大，导致合金的流动性增强。此外Si元素的体收缩率约等于零，线膨胀系数也远小于Al，随着Si元素含量的增加，形成的合金收缩率随之减小，降低了孔缩倾向与热裂倾向，抑制高温脆性。

由于压铸铝合金中加入Si元素使其具有良好的铸造性能以及导热性、耐腐蚀等优点，使Al-Si系合金在铸造领域应用普遍。传统的Al-Si二元合金系列虽然具有较好的强度，但其塑性较差，难以达到汽车行业高速发展中对更高性能铝合金的要求。Al-Si系合金的主要缺陷在于浇注过程中易造成铸件尺寸不符要求、产生气孔等缺陷，传统铸造铝合金的微观组织晶粒为树枝晶，影响合金的力学性能。

（a）亚共晶型

（b）共晶型

（c）过共晶型

图1 Al-Si系合金晶型

工业上将Al-Si系合金分为三大类：亚共晶型Al-Si系合金、共晶型Al-Si系合金、过共晶型Al-Si系合金，如图1所示。合金中较高的Si含量促进了坚硬粗糙的初晶Si颗粒的形成，提高了过共晶型Al-Si系合金的耐磨性，同时初晶Si颗粒的存在也对合金的力学性能产生不利影响，如降低切削加工性能。

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Al-Mg系合金

Al-Mg系合金塑性优良，且耐腐蚀，成型的铸件表面质量高，主要用于汽车耐腐蚀零件和对表面质量要求较高的压铸件中。压铸铝合金中加入Mg元素，由于Mg原子的半径比Al原子半径大13%，经过固溶处理，Mg溶解于Al的α相中，引起较大的扭曲，能实现铝合金强度的提高。

在Al-Mg系合金液的表层能形成具有强抗腐蚀性能的尖晶石膜，可以提升合金的耐腐蚀性，并且形成合金的粘膜倾向低，铸件的表面质量高。但Al-Mg系合金中可能会产生Mg2Si与Al3Mg2硬脆相，使合金的延伸率降低，热裂的倾向变大，熔炼时容易氧化或形成渣，导致铸造性能较差。

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Al-Si-Mg系合金

Al-Si-Mg系合金属于特殊种类的Al-Si系合金，Al-Si系合金中Si元素在Al中的溶解度小，难以在铝合金中加入较多Si元素，因此加入Si元素对铝合金的强度影响较小。由于不能通过热处理工艺进行强化，可以考虑在Al-Si系合金中加入Mg元素，经过热处理工艺后合金会析出弥散强化相，提高合金的强度。如ZL114A铝合金是Al-Si-Mg系合金，少量的Mg能提高合金的抗拉强度与屈服强度，具有较好的力学性能，并且该合金具有较好的充填能力、耐腐蚀性能及较低的热裂倾向。Al-Si-Mg系合金是新型压铸铝合金的开发对象，可用于车身形状复杂、综合力学性能要求较高的零部件，但成型的零部件后续处理过程要求较高，会使其增加制造成本。

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Al-Si-Cu系合金

Al-Si-Cu系合金中加入Cu元素，室温下Cu元素在α-Al固溶体内的溶解度较小，而在高温下溶解度较大，使Cu元素能固溶于合金中的铝基体或形成颗粒状的化合物强化相（主要为AlCu和Al5Cu2Mg8Si6相），提高了合金的抗蠕变性能及合金的强硬度。Al-Si-Cu系合金中添加Cu元素可以增加铝合金的力学性能、铸造性能以及机械加工性能，但Al元素与Cu元素的化学电位差大，易造成合金的耐蚀性变差，热裂倾向性更高，在Al-Si-Cu系压铸合金中，Cu含量一般控制在1%~5%。

A383合金是美国基于传统A380合金基础上改良后的压铸铝合金，其中Si含量较A380更加接近共晶，改善了合金的流动性，其Cu元素含量较少，在压铸过程中有一定的热裂倾向，可能会形成热裂纹路。

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铝合金中其他元素的作用

Fe元素在压铸铝合金中是影响较大的杂质元素，Fe元素易与铝合金中的Al、Si、Mg等元素反应形成Al3Fe、Al9Fe2Si2、Al8Mg3FeSi6等相，均属于硬脆相，易产生裂纹，并在该相位置易累积杂质气体，使合金的力学性能降低。利用压铸工艺在一定程度上减少针状富含Fe相的析出（见图2），使之减少对基体的不良影响。此外，Fe元素含量较多还会降低铝合金的抗腐蚀性与流动性，增加压铸的热裂倾向与缩孔倾向。

图2含量为1%的Fe元素铝合金扫描电镜微观形貌

注：EHT:加速电压；WD：工作距离；Mag：放大倍数；SignalA=SE2：采用SE2探测器

Zn元素在α-Al基体中的溶解度较好，能形成固溶体，强化合金的力学性能，提高其流动性，改善合金的机械加工性能。但与Cu元素类似，由于Zn元素与合金中Al的化学电位相差大，压铸铝合金的抗腐蚀性能较差，另外Zn元素在合金中的体收缩率高达4.7%，使压铸铝合金有较高的收缩倾向。

压铸铝合金中也常加入稀土元素，稀土元素的原子半径大于Al元素的原子半径，Al元素的晶体结构是面心立方晶格，稀土元素为密排六方晶格，因此稀土元素在铝合金中的溶解度小，不易生成固溶体。铝合金中加入稀土元素，会富集在固液界面的前面，出现成分过冷现象，可提高铝合金的力学性能。稀土元素较为活泼，容易填补铝合金熔炼时合金相产生的缺陷，减小两相界面间的表面张力，并在合金晶粒表面形成活性层以阻止晶粒的长大。对于合金中的Fe元素等杂质，稀土元素可与其发生反应，净化铝液，改善富Fe杂质相。

新型压铸铝合金

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汽车行业基于能源、安全性、舒适性等因素的需求下不断发展，汽车行业对材料的发展需求正处于铝镁合金的应用时代，以替代钢板、铸铁等耗能高质量重的材质。传统的车身零部件以钢板冲压或液压胀形或板材拼焊等工艺为主，如采用铝合金，则有高强度和高韧性的需求。铝合金的应用具有零件高度集成化的优势，对于不同零部件的性能要求有所不同，有些需要提升其延伸率，有些需要提高抗腐蚀性能，随着高真空压铸工艺的开发，压铸零部件的加工需要更加优异、具备各种性能的铝合金。

为实现高塑性铝合金的需求，20世纪90年代以来德国、日本等学者在高真空技术的基础上，进行高塑性Al-Si-Mg系合金的研究。德国莱茵铝合金公司研发的新型压铸铝合金：Magsimal-59、Sila⁃font-36与Castasil-37，将合金中Fe元素含量控制在＜0.2%，以确保铸件的韧度和强度，为防止合金出现粘模现象，同时在合金中加入0.5%~0.8%的Mn元素。经测试，Magsimal-59合金标准圆棒试样在铸态下的断后延伸率可达17%，已将其应用于制造汽车车门中。

近藤合利利用Silafont-36作为基础合金，通过控制合金中Mg元素的含量来获得不同的力学性能，研究发现，当Mg元素质量分数在0.33%~0.40%时，铝合金表现为较好的延伸率与压缩强度。

王海东等对Al-Si-Mg系合金中添加微量合金元素对合金组织和性能的影响进行研究，研究表明：当添加微量Ti元素时，能有效细化合金晶粒，提高其抗拉强度和屈服强度；添加微量Zr或Sr元素，铝合金的力学性能显著改善，塑性明显提高。

德国学者开发了Aural-2和Aural-3合金，Au⁃ral-3合金具有良好的流动性，其充填性能好，并且通过添加Mg元素可使Aural-3合金进行热处理，通过固溶处理得到新型高强韧合金的延伸率为5%~12%，屈服强度σ0.2为250MPa。

目前国内很多企业、研究院校正在开发适用于汽车车身结构件的高强韧铝合金，如宁波合力模具科技股份有限公司与上海交通大学材料科学与工程学院合作开发高延伸率耐热铸造铝合金，合作期间开发了高延伸率耐热铸造铝合金及其压力铸造制备方法，该合金属于Al-Si-Mg系合金，其对Si、Cu、Mg含量做了说明，并对微量元素Sc、M（Ti、Zr、V中至少一种元素）进行了规定，其压铸态的屈服强度可达169MPa，延伸率达10.0%，200℃高温抗拉强度达190MPa，高温延伸率达14.0%，室温和耐热性能优异，而且无需固溶热处理便可应用于汽车零件，满足汽车轻量化发展的需求。

综上所述，目前新型高强韧性能的压铸铝合金的研究主要集中Al-Si-Mg系，由于Al-Si系合金中加入Mg元素，能形成Mg2Si，在固溶处理时可形成固溶体，强化合金，并且Mg元素还可以在合金液表层形成高抗腐蚀性的尖晶石膜，提高铸件的耐腐蚀性。理论上Cu元素对Al-Si系合金的综合强化效果更加显著，相对于Mg元素，Cu元素更易于在铝合金中形成核，热处理后性能得到提高，但Cu元素在铝合金中的溶解率较低，在Al-Si系合金中的应用受到了限制。对Al-Si-Cu系合金的新型高强韧性能的研究还需进一步探讨，这对于新型高强韧铝合金的研究开发具有重要意义。

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▍内容来源：《模具工业》2019年第8期