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有刪減，如需全文，請購雜志或前往知網(wǎng)下載 2019家電模具高峰論壇征文 近年來隨著汽車、航天及計(jì)算機(jī)行業(yè)的高速發(fā)展，對輕量化、高韌性及耐腐蝕的鑄件提出更高的要求。針對鋁合金零部件，高強(qiáng)度、高韌性、耐蝕合金、變形合金的加工成形及大型復(fù)雜合金零部件的成形工藝已成為輕量化合金的研究熱點(diǎn)。但目前大部分鑄造鋁合金力學(xué)性能在鑄態(tài)下多為低抗拉強(qiáng)度及低延伸率。隨著技術(shù)的發(fā)展，對于高強(qiáng)韌、輕量化的鑄件需求也逐漸增多，采用壓鑄成型工藝制備鋁合金零部件的優(yōu)勢得到關(guān)注。壓鑄工藝（壓力鑄造）為加工行業(yè)常用的一種特種鑄造工藝，通過將流體金屬或半流體金屬在較高壓力下以高速填充至壓鑄模中，在壓力作用下成型并凝固，最終獲得鑄件。由于壓鑄工藝成型的鑄件具有尺寸精度高、強(qiáng)度高、材料利用率高等優(yōu)勢，壓鑄及高強(qiáng)壓鑄廣泛應(yīng)用于制造形狀復(fù)雜、承受中度載荷的構(gòu)件中。鋁的密度僅為鐵、銅、鋅等合金的1/3左右，是目前滿足輕量化要求的壓鑄合金材料之一，此外鋁的比強(qiáng)度、比剛度較高，具有良好的塑性體流變特性，結(jié)晶溫度范圍窄，線收縮率小等優(yōu)勢，易于成型切削加工，有較高的力學(xué)性能及抗蝕性，基于以上優(yōu)點(diǎn)，鋁合金已成為高強(qiáng)韌壓鑄合金材料之一。鋁合金壓鑄件在汽車、航天等行業(yè)中具有優(yōu)異的減重效果，20世紀(jì)80年代以來，汽車工業(yè)的高速發(fā)展帶動(dòng)了相關(guān)行業(yè)的發(fā)展，而汽車工業(yè)的發(fā)展主要圍繞智能化、輕量化、模塊化等進(jìn)行。鋁合金鑄件、工程塑料、碳纖維替代鑄鐵鑄件的技術(shù)得到了較快的發(fā)展，其中汽車中熱交換器、發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸、水泵、輪轂等40余種零部件應(yīng)用鋁合金鑄造。隨著高強(qiáng)韌壓鑄技術(shù)的發(fā)展，20世紀(jì)90年代歐洲開發(fā)了一系列的高強(qiáng)韌壓鑄鋁合金，并整合了產(chǎn)業(yè)鏈，包括鋁合金的研發(fā)、零件的工業(yè)設(shè)計(jì)、壓鑄機(jī)等設(shè)備的配套等?，F(xiàn)主要簡述當(dāng)前壓鑄鋁合金的特性和分類，并介紹傳統(tǒng)及新型壓鑄鋁合金的研究現(xiàn)狀及發(fā)展前景。壓鑄鋁合金的成分及其含量對鑄件的力學(xué)性能影響顯著，對于不同鑄件的性能要求，應(yīng)選用不同壓鑄工藝及相應(yīng)的鋁合金成分。目前工業(yè)領(lǐng)域中壓鑄鋁合金應(yīng)用廣泛的是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，中國、美國、日本常用鋁合金型號及成分如表1所示。一般傳統(tǒng)的壓鑄鋁合金中主要加入的合金元素有Si、Fe、Cu等，其中Si元素的加入能增強(qiáng)鋁合金的流動(dòng)性，F(xiàn)e元素的加入有利于壓鑄件脫模，Cu元素的加入能增強(qiáng)鑄件強(qiáng)度，各種不同合金元素的加入使鋁合金具有不同的性質(zhì)及優(yōu)缺點(diǎn)。壓鑄鋁合金中加入Si元素會(huì)降低結(jié)晶溫度的區(qū)間，共晶體含量會(huì)增加，且由于Si元素的結(jié)晶潛熱大，導(dǎo)致合金的流動(dòng)性增強(qiáng)。此外Si元素的體收縮率約等于零，線膨脹系數(shù)也遠(yuǎn)小于Al，隨著Si元素含量的增加，形成的合金收縮率隨之減小，降低了孔縮傾向與熱裂傾向，抑制高溫脆性。由于壓鑄鋁合金中加入Si元素使其具有良好的鑄造性能以及導(dǎo)熱性、耐腐蝕等優(yōu)點(diǎn)，使Al-Si系合金在鑄造領(lǐng)域應(yīng)用普遍。傳統(tǒng)的Al-Si二元合金系列雖然具有較好的強(qiáng)度，但其塑性較差，難以達(dá)到汽車行業(yè)高速發(fā)展中對更高性能鋁合金的要求。Al-Si系合金的主要缺陷在于澆注過程中易造成鑄件尺寸不符要求、產(chǎn)生氣孔等缺陷，傳統(tǒng)鑄造鋁合金的微觀組織晶粒為樹枝晶，影響合金的力學(xué)性能。
（a）亞共晶型
（b）共晶型
（c）過共晶型
工業(yè)上將Al-Si系合金分為三大類：亞共晶型Al-Si系合金、共晶型Al-Si系合金、過共晶型Al-Si系合金，如圖1所示。合金中較高的Si含量促進(jìn)了堅(jiān)硬粗糙的初晶Si顆粒的形成，提高了過共晶型Al-Si系合金的耐磨性，同時(shí)初晶Si顆粒的存在也對合金的力學(xué)性能產(chǎn)生不利影響，如降低切削加工性能。Al-Mg系合金塑性優(yōu)良，且耐腐蝕，成型的鑄件表面質(zhì)量高，主要用于汽車耐腐蝕零件和對表面質(zhì)量要求較高的壓鑄件中。壓鑄鋁合金中加入Mg元素，由于Mg原子的半徑比Al原子半徑大13%，經(jīng)過固溶處理，Mg溶解于Al的α相中，引起較大的扭曲，能實(shí)現(xiàn)鋁合金強(qiáng)度的提高。在Al-Mg系合金液的表層能形成具有強(qiáng)抗腐蝕性能的尖晶石膜，可以提升合金的耐腐蝕性，并且形成合金的粘膜傾向低，鑄件的表面質(zhì)量高。但Al-Mg系合金中可能會(huì)產(chǎn)生Mg2Si與Al3Mg2硬脆相，使合金的延伸率降低，熱裂的傾向變大，熔煉時(shí)容易氧化或形成渣，導(dǎo)致鑄造性能較差。Al-Si-Mg系合金屬于特殊種類的Al-Si系合金，Al-Si系合金中Si元素在Al中的溶解度小，難以在鋁合金中加入較多Si元素，因此加入Si元素對鋁合金的強(qiáng)度影響較小。由于不能通過熱處理工藝進(jìn)行強(qiáng)化，可以考慮在Al-Si系合金中加入Mg元素，經(jīng)過熱處理工藝后合金會(huì)析出彌散強(qiáng)化相，提高合金的強(qiáng)度。如ZL114A鋁合金是Al-Si-Mg系合金，少量的Mg能提高合金的抗拉強(qiáng)度與屈服強(qiáng)度，具有較好的力學(xué)性能，并且該合金具有較好的充填能力、耐腐蝕性能及較低的熱裂傾向。Al-Si-Mg系合金是新型壓鑄鋁合金的開發(fā)對象，可用于車身形狀復(fù)雜、綜合力學(xué)性能要求較高的零部件，但成型的零部件后續(xù)處理過程要求較高，會(huì)使其增加制造成本。Al-Si-Cu系合金中加入Cu元素，室溫下Cu元素在α-Al固溶體內(nèi)的溶解度較小，而在高溫下溶解度較大，使Cu元素能固溶于合金中的鋁基體或形成顆粒狀的化合物強(qiáng)化相（主要為AlCu和Al5Cu2Mg8Si6相），提高了合金的抗蠕變性能及合金的強(qiáng)硬度。Al-Si-Cu系合金中添加Cu元素可以增加鋁合金的力學(xué)性能、鑄造性能以及機(jī)械加工性能，但Al元素與Cu元素的化學(xué)電位差大，易造成合金的耐蝕性變差，熱裂傾向性更高，在Al-Si-Cu系壓鑄合金中，Cu含量一般控制在1%~5%。A383合金是美國基于傳統(tǒng)A380合金基礎(chǔ)上改良后的壓鑄鋁合金，其中Si含量較A380更加接近共晶，改善了合金的流動(dòng)性，其Cu元素含量較少，在壓鑄過程中有一定的熱裂傾向，可能會(huì)形成熱裂紋路。Fe元素在壓鑄鋁合金中是影響較大的雜質(zhì)元素，F(xiàn)e元素易與鋁合金中的Al、Si、Mg等元素反應(yīng)形成Al3Fe、Al9Fe2Si2、Al8Mg3FeSi6等相，均屬于硬脆相，易產(chǎn)生裂紋，并在該相位置易累積雜質(zhì)氣體，使合金的力學(xué)性能降低。利用壓鑄工藝在一定程度上減少針狀富含F(xiàn)e相的析出（見圖2），使之減少對基體的不良影響。此外，F(xiàn)e元素含量較多還會(huì)降低鋁合金的抗腐蝕性與流動(dòng)性，增加壓鑄的熱裂傾向與縮孔傾向。
圖2含量為1%的Fe元素鋁合金掃描電鏡微觀形貌 注：EHT:加速電壓；WD：工作距離；Mag：放大倍數(shù)；SignalA=SE2：采用SE2探測器Zn元素在α-Al基體中的溶解度較好，能形成固溶體，強(qiáng)化合金的力學(xué)性能，提高其流動(dòng)性，改善合金的機(jī)械加工性能。但與Cu元素類似，由于Zn元素與合金中Al的化學(xué)電位相差大，壓鑄鋁合金的抗腐蝕性能較差，另外Zn元素在合金中的體收縮率高達(dá)4.7%，使壓鑄鋁合金有較高的收縮傾向。壓鑄鋁合金中也常加入稀土元素，稀土元素的原子半徑大于Al元素的原子半徑，Al元素的晶體結(jié)構(gòu)是面心立方晶格，稀土元素為密排六方晶格，因此稀土元素在鋁合金中的溶解度小，不易生成固溶體。鋁合金中加入稀土元素，會(huì)富集在固液界面的前面，出現(xiàn)成分過冷現(xiàn)象，可提高鋁合金的力學(xué)性能。稀土元素較為活潑，容易填補(bǔ)鋁合金熔煉時(shí)合金相產(chǎn)生的缺陷，減小兩相界面間的表面張力，并在合金晶粒表面形成活性層以阻止晶粒的長大。對于合金中的Fe元素等雜質(zhì)，稀土元素可與其發(fā)生反應(yīng)，凈化鋁液，改善富Fe雜質(zhì)相。汽車行業(yè)基于能源、安全性、舒適性等因素的需求下不斷發(fā)展，汽車行業(yè)對材料的發(fā)展需求正處于鋁鎂合金的應(yīng)用時(shí)代，以替代鋼板、鑄鐵等耗能高質(zhì)量重的材質(zhì)。傳統(tǒng)的車身零部件以鋼板沖壓或液壓脹形或板材拼焊等工藝為主，如采用鋁合金，則有高強(qiáng)度和高韌性的需求。鋁合金的應(yīng)用具有零件高度集成化的優(yōu)勢，對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，有些需要提高抗腐蝕性能，隨著高真空壓鑄工藝的開發(fā)，壓鑄零部件的加工需要更加優(yōu)異、具備各種性能的鋁合金。為實(shí)現(xiàn)高塑性鋁合金的需求，20世紀(jì)90年代以來德國、日本等學(xué)者在高真空技術(shù)的基礎(chǔ)上，進(jìn)行高塑性Al-Si-Mg系合金的研究。德國萊茵鋁合金公司研發(fā)的新型壓鑄鋁合金：Magsimal-59、Sila?font-36與Castasil-37，將合金中Fe元素含量控制在＜0.2%，以確保鑄件的韌度和強(qiáng)度，為防止合金出現(xiàn)粘?，F(xiàn)象，同時(shí)在合金中加入0.5%~0.8%的Mn元素。經(jīng)測試，Magsimal-59合金標(biāo)準(zhǔn)圓棒試樣在鑄態(tài)下的斷后延伸率可達(dá)17%，已將其應(yīng)用于制造汽車車門中。近藤合利利用Silafont-36作為基礎(chǔ)合金，通過控制合金中Mg元素的含量來獲得不同的力學(xué)性能，研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)Mg元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)在0.33%~0.40%時(shí)，鋁合金表現(xiàn)為較好的延伸率與壓縮強(qiáng)度。王海東等對Al-Si-Mg系合金中添加微量合金元素對合金組織和性能的影響進(jìn)行研究，研究表明：當(dāng)添加微量Ti元素時(shí)，能有效細(xì)化合金晶粒，提高其抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度；添加微量Zr或Sr元素，鋁合金的力學(xué)性能顯著改善，塑性明顯提高。德國學(xué)者開發(fā)了Aural-2和Aural-3合金，Au?ral-3合金具有良好的流動(dòng)性，其充填性能好，并且通過添加Mg元素可使Aural-3合金進(jìn)行熱處理，通過固溶處理得到新型高強(qiáng)韌合金的延伸率為5%~12%，屈服強(qiáng)度σ0.2為250MPa。目前國內(nèi)很多企業(yè)、研究院校正在開發(fā)適用于汽車車身結(jié)構(gòu)件的高強(qiáng)韌鋁合金，如寧波合力模具科技股份有限公司與上海交通大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院合作開發(fā)高延伸率耐熱鑄造鋁合金，合作期間開發(fā)了高延伸率耐熱鑄造鋁合金及其壓力鑄造制備方法，該合金屬于Al-Si-Mg系合金，其對Si、Cu、Mg含量做了說明，并對微量元素Sc、M（Ti、Zr、V中至少一種元素）進(jìn)行了規(guī)定，其壓鑄態(tài)的屈服強(qiáng)度可達(dá)169MPa，延伸率達(dá)10.0%，200℃高溫抗拉強(qiáng)度達(dá)190MPa，高溫延伸率達(dá)14.0%，室溫和耐熱性能優(yōu)異，而且無需固溶熱處理便可應(yīng)用于汽車零件，滿足汽車輕量化發(fā)展的需求。綜上所述，目前新型高強(qiáng)韌性能的壓鑄鋁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，在固溶處理時(shí)可形成固溶體，強(qiáng)化合金，并且Mg元素還可以在合金液表層形成高抗腐蝕性的尖晶石膜，提高鑄件的耐腐蝕性。理論上Cu元素對Al-Si系合金的綜合強(qiáng)化效果更加顯著，相對于Mg元素，Cu元素更易于在鋁合金中形成核，熱處理后性能得到提高，但Cu元素在鋁合金中的溶解率較低，在Al-Si系合金中的應(yīng)用受到了限制。對Al-Si-Cu系合金的新型高強(qiáng)韌性能的研究還需進(jìn)一步探討，這對于新型高強(qiáng)韌鋁合金的研究開發(fā)具有重要意義。▍ ▍內(nèi)容來源：《模具工業(yè)》2019年第8期 |
