铸造合金的制备工艺（挤压铸造Al-Si系合金成分优化）
铸造合金的制备工艺（挤压铸造Al-Si系合金成分优化）（a）抗拉强度（b）伸长率目前，挤压铸造Al-Si系合金主要类型有：亚共晶Al-（4~8）Si系（I）、Al-（9~13）Si系（II）和过共晶Al-（14~22）Si系（III）。图1归纳总结了Al-Si系合金的拉伸性能。Al-Si系合金的铸造性能良好、比强度高、耐磨性好、可热处理、成本低，是铸造铝合金中研究最早、开发种类最多、应用范围最广的铝合金。Al-Si系合金中，Si含量（质量分数）在2%~12.6 %的亚共晶Al-Si合金在强度高的同时可保证较高的塑韧性，而Si含量高于12.6 %的过共晶Al-Si合金则具备抗压性能好、耐磨性能强，热膨胀系数低等特点，是制造汽车活塞、汽缸体、斜盘等零件的理想材料。本课题针对Al-Si系合金及其复合材料，从合金成分设计及孕育变质剂等方面进行了归纳总结，为开发高性能挤压铸造Al-Si系合金提供借鉴。1.合金元素对挤压铸造Al-Si系合金组织及性能的影
导读
Al-Si系合金具有铸造流动性和耐腐蚀性良好、比强度高以及热膨胀系数低的特点，在铸造铝合金中应用广泛。汽车、航空航天等领域轻量化的发展对Al-Si系合金的强塑性提出了更高要求。挤压铸造铝合金可形成复杂薄壁铸件，且零部件组织致密、表面质量高、力学性能好，在汽车零件等领域有着的广阔的应用前景。针对挤压铸造Al-Si系合金中合金元素、孕育变质剂对组织和性能的影响以及挤压铸造Al-Si合金复合材料进行了归纳总结，为今后利用挤压铸造技术制备高性能Al-Si系合金提供借鉴。
关键词：挤压铸造；Al-Si系合金；合金元素；孕育变质；组织性能
挤压铸造是液态金属在机械压力作用下凝固成形的技术。铸件在一定压力和相对低速下充型，得到的铸件气孔率低、组织致密，同时伴有微量塑性变形。挤压铸造技术可制备复杂、强韧性较高的终形或近终形薄壁铝合金铸件，在汽车铸造、航空航天领域具备广阔的应用前景。
Al-Si系合金的铸造性能良好、比强度高、耐磨性好、可热处理、成本低，是铸造铝合金中研究最早、开发种类最多、应用范围最广的铝合金。Al-Si系合金中，Si含量（质量分数）在2%~12.6 %的亚共晶Al-Si合金在强度高的同时可保证较高的塑韧性，而Si含量高于12.6 %的过共晶Al-Si合金则具备抗压性能好、耐磨性能强，热膨胀系数低等特点，是制造汽车活塞、汽缸体、斜盘等零件的理想材料。本课题针对Al-Si系合金及其复合材料，从合金成分设计及孕育变质剂等方面进行了归纳总结，为开发高性能挤压铸造Al-Si系合金提供借鉴。
1.合金元素对挤压铸造Al-Si系合金组织及性能的影响
1.1 Si元素
目前，挤压铸造Al-Si系合金主要类型有：亚共晶Al-（4~8）Si系（I）、Al-（9~13）Si系（II）和过共晶Al-（14~22）Si系（III）。图1归纳总结了Al-Si系合金的拉伸性能。
（a）抗拉强度（b）伸长率
图1 Al-Si系合金抗拉强度和伸长率统计图。图中黑色圆形表示挤压铸造态拉伸性能，红色三角形表示挤压铸造合金热处理后的拉伸性能，蓝色五角星表示半固态-挤压铸造合金热处理后的拉伸性能
1.2 其他合金元素
1.2.1Mg和Cu元素
Mg、Cu元素对Al-Si系合金的组织和力学性能有明显影响。
★随Mg含量从1 %增加到2 %，挤压铸造Al-10Si-2.5Cu-xMg合金中共晶硅相的形貌由针条片状转变为细小颗粒状。当Mg含量为1.5%时，合金的抗拉强度达到最大值（约290 MPa）。
★随着Mg含量（0.2%~2.6%）的增加，挤压铸造Al-10Si-2.5Cu-0.8Fe-xMg合金中共晶硅的形貌由片状变为纤维状，含Fe相由棒状变为细小片状，再变到棒状；当镁含量为1.38%时，合金的抗拉强度达到最高值289 MPa。
★当Cu含量为2.25%且Cu/Mg质量比为4时，热处理态挤压铸造Al-10.7Si-2.25Cu-0.56Mg合金中强化相由θ-Al2Cu变为Mg2Si、θ-Al2Cu和Q-Al5Cu2Mg8Si6，合金抗拉强度增至426 MPa。
★添加Cu、Mg元素后，挤压铸造Al-17Si-2Cu-0.4Mg-1.5Fe合金的抗拉强度为225 MPa，比挤压铸造Al-17Si合金的抗拉强度提高72MPa。MAENG等 进一步添加Cu、Mg后，挤压铸造Al-17.48Si-4.25Cu-0.6Mg的抗拉强度可达315 MPa。
1.2.2 Ce、Sc和Ni元素
研究发现：
★当比压为100 MPa、Ce含量在0.1%~0.5 %范围时，共晶Si改性效果明显：共晶Si平均长度从24.82 μm减小到10.87 μm，且Al8Cu4Ce相数量的增加使合金抗拉强度从210 MPa增加至254 MPa。
★当Fe含量低于0.2 %、Sc含量为0.2%时，Al-7Si-0.3Mg-Fe合金中可形成少量小而圆的富含Sc的金属间化合物，且共晶Si变得细小，从而使合金硬度、屈服强度和抗拉强度提高的同时又能保持良好的伸长率。当Sc含量为0.4 %时，富含Sc的金属间化合物数量增加，合金伸长率下降。
★随Ni含量从0增加到2.0 %，挤压铸造A380合金中含Ni的金属间相化合物的体积分数增加，合金屈服强度和抗拉强度分别增加39%和13%。
1.3 熔体处理及孕育变质
1.3.1 熔体处理
常见的熔体净化方法有熔剂法、浮游法和过滤法。
万兵兵开发了一种新型的铝合金精炼剂（NaCl-KClKF-AlF3-K3AlF6-KAlF4），可使ADC12铝合金熔体除氢率达79.31 %，氧含量由16 ppm 下降至3 ppm，残渣降低率达97.68 %。沈刚等采用氩气旋转气泡浮游法对Al-10Si合金进行处理，发现浮游法比熔剂精炼法具有更强的除渣和除气能力。黄全等采用玻璃纤维过滤网可有效控制铝锭表面的氧化渣，提高合金品质。此外，常见的熔体处理方法还包括超声处理、真空磁悬浮处理、熔体过热处理、电磁搅拌处理和电脉冲处理等。夏峰等发现，超声处理可提高Al-Si合金熔体中初晶相和共晶相的析出温度，致使合金中α-Al相细小圆整，初生Si相由粗大不规则的形貌变为细小状且分布更加均匀。张亮等采用真空磁悬浮熔炼A356合金，发现与常规熔炼相比，共晶硅相由细长针状变为短小的片状，且合金的密度提高1.14%，组织更为致密。党博等 发现，当过热温度低于960 ℃时，随着过热温度升高，过共晶Al-25Si合金中的初生Si相以小平面生长的趋势增大；当过热温度高于960 ℃时，随过热温度升高，初生Si相以小平面生长的趋势减弱。苗龙采用电磁搅拌制备Al-20Si合金，发现随着搅拌电压增加，初生硅在试样的边缘偏聚现象越明显。张广安等对Al-7Si-Mg合金采用了电脉冲孕育处理后，发现柱状α-Al相变成了近球型的状，晶粒细化作用十分明显。
1.3.2 Al-Ti-B细化剂
孕育变质剂广泛应用于重力铸造、高压铸造铝合金等领域。其中，Al-Ti-B晶粒细化剂在铝合金中使用最为广泛。Al-5Ti-B合金对于变形铝合金有效，但对主流的铸造铝硅合金（Si≥5%）却不能起到很好的细化作用，这种现象被称为“硅中毒效应”。基于传统的Al-Ti-B细化剂所研制的新型Al-Ti-Nb-B晶粒细化剂，在熔体中通过Ti/Nb的协同作用形成B2（Ti Nb）颗粒，可促进合金熔体形核，细化晶粒效果明显。为了避免Al-5Ti-B的硅中毒效应，DONG等和ZHANG等分别开发了Al-3Ti-3B和Al-3V-B及Al-3Ti-1B细化剂，都使得“硅中毒效应”明显改善。
1.3.3 Al-P变质剂
Al-P类中间合金变质剂具有变质效果好且稳定、无污染、吸附性强、成本低等特点。THOMAS等研究发现，P元素对亚共晶Al-Si合金中的共晶Si成核起到关键作用。AlP与Si相晶格错配小于1%，使其成为共晶Si的良好成核位点，促进共晶Si在较低的过冷度下的形核。张广安等 发现，A390合金经过Al-P变质剂短时间孕育变质后，共晶硅平均尺寸减小到22 μm，细化作用明显。此外，采用新的Al-P-Ti-TiC-Y和Al-P-Ti-TiC-Nd2O3细化剂，可将共晶硅细化到20 μm。
图2 Al-5Ti-B细化剂引起硅中毒的机理示意图
1.3.4 含Sr变质剂
含Sr类变质剂具有变质效果好、有效作用期长、可回收、污染小的特点。汪勇等 研究结果表明，Sr含量为0.06%时，Al-7Si合金中共晶硅的形貌由长针形状变成短针形状。JEYAKUMAR等发现，Sr并不会影响共晶硅的双平面凹角生长机制，而是在共晶反应过程中，在共晶硅和铝晶粒的边界处形成起变质作用的Al2Si2Sr相。之后进一步研究发现，熔体中形成的Al2Si2Sr团簇会增加共晶Si形核所需的过冷度，同时也会影响共晶硅孪晶生长方式进而改性共晶硅。图3中可清晰看出，未改性和Sr改性后合金显微组织有着明显区别。
（a1，a2，a3）未改性（b1，b2，b3）Sr改性
图3未改性和Sr改性Al-12.7Si合金的显微组织。（a1）和（b1）共晶相（α-Al为灰色，Si为深灰色）;（a2）和（b2）分别对应于（a1）和（b1）的EBSD相种类图（α-Al为蓝色，Si为红色），（a3）和（b3）EBSD晶粒曲向图，其颜色标定反极图显示在（a3）的左下角
1.3.5 复合变质
Al-Si合金中添加Sr作为变质剂会使共晶Si的形态从粗大的板状或针状转变为细纤维。然而，添加Sr可导致长柱状的树枝状α-Al相（纵向尺寸比较大的α-Al相）的形成，因此添加其他元素改变长柱状的树枝状α-Al相也是十分必要的。
表1为部分Al-Si系合金力学性能。由此可见，合金元素种类和含量对挤压铸造Al-Si系合金的组织及性能有重要影响，研究主、微合金元素种类及其含量等对高性能挤压铸造Al-Si合金制备具有重要意义。
2. 挤压铸造Al-Si系合金复合材料
在航空和汽车工业中，金属基复合材料已经成为一种重要的结构材料。相对于传统材料，金属基复合材料比强度高、耐磨性好、零部件质量轻、高温强度稳定。在众多加工工艺中，挤压铸造是制造高性能金属基复合材料的有效方法。
2.1 Al-Si基无机非金属复合材料
通常用来与铝合金复合的无机非金属材料有：碳化硼（B4C）、氧化铝（Al2O3）、金刚石、碳化硅（SiC）。在这些材料中，碳化硅（SiC）增强铝基复合材料力学性能较好，且制造成本较低。但是，SiC颗粒附近的应变集中使材料的塑性降低。
MANU等通过挤压铸造工艺制备了微米SiO2增强铝基复合材料。由于SiO2颗粒均匀地分部在基体中，微米SiO2增强铝基复合材料具有更好的力学和耐腐蚀性能。CHOU等研究了挤压铸造Al2O3/A356铝合金复合材料的力学性能。发现当A356合金含量从5%增加到40 %时，复合材料的硬度（HV）从109下降到227，断裂强度从492.5 MPa下降到457 MPa。KRISHNAN等使用废铝合金为基体代替Al-7Si-Mg合金，用炼油厂废料中的废氧化铝催化剂替代Al2O3作为增强材料，在保证抗拉强度下降不明显的前提下大幅降低了复合材料的生产成本。JIANG等还研究了挤压铸造法高导热金刚石/铝复合材料的界面特性。结果表明，板条状Al4C3在金刚石/铝合金界面上按梯形台阶的机制生长，板条状Al4C3尖端界面为粗糙界面，以连续生长模式迁移。
2.2 铝-铝双金属复合材料
铝-铝双金属复合材料在满足汽车和航空等领域的高性能和高效生产需求方面具有独特优势。其中，6101铝合金具有高强度，极好的导热性和导电性；而A356铝合金有良好的铸造特性，具有高抗拉强度和疲劳性能。采用复合挤压铸造技术制备的A356-6101铝合金双金属材料可以将两者的优势结合。
WANG等研究了压力对挤压铸造A356-6101双金属材料的组织和力学性能的影响。发现随压力增加，A356铝合金基体抗拉强度增加，而双金属的抗拉强度与施加压力无关。
3. 结语与展望
挤压铸造铝合金可形成复杂薄壁铸件，且零部件组织致密、表面质量高、力学性能好，在汽车零件制备等领域有着的广阔应用前景。Al-Si系合金挤压铸造技术的发展可以从以下几个方面开展：
（1）Al-Si系合金成分需进一步优化。Cu、Mg元素的适量添加可大幅提高Al-Si合金的强度；Ce、Sc和Ni等稀土金属的添加可明显改善合金组织。因此，通过对合金中主、微合金元素含量的优化，有望开发出高强塑挤压铸造Al-Si系合金。
（2）需进一步开发Al-Si系合金孕育变质剂。Al-Ti-B系晶粒细化剂的对Al-Si合金中α-Al晶粒尺寸有着显著的影响，开发出种类多样，效果显著，且价廉易制的细化剂尤其重要。含Sr、Sb和P的变质剂Al-Si系合金中初生Si和共晶Si的尺寸形貌有着明显影响，因此研究更加高效的细化变质剂对提高Al-Si系合金的性能具有重要意义。此外，复合使用各类变质剂对提高Al-Si系合金性能同样重要。
（3）金属基复合材料是当下发展前景十分广的结构材料。金属基复合材料比强度高、耐磨性好、零部件质量轻、高温强度稳定。挤压铸造技术在开发高性能金属基复合材料具有广阔应用前景。
文献引用：薛利文 周文强，朴一男，等. 挤压铸造及热处理对A359铝合金力学性能的影响[J].特种铸造及有色合金，2021 41（6）：842-848.
