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1、21世纪铸造技术论坛特种铸造及有色合金 1998年第4期铸 造 铝 合 金 现 状 及 未 来 发 展北京航空材料研究院 熊艳才刘伯操摘 要 综述了传统铸造铝合金,A l2Si系,A l2Cu系等的研究现状和发展,介绍了先进铸造铝基复合材料的研究和应用前景。 提出面对21世纪的挑战,铸造铝合金的研究和应用必须与先进的制造技术、 工艺技术结合起来,使铸造铝合金这种传统的金属材料在新世纪焕发新的光彩。与此同时,随着现代工业的飞速发展,尚需不断地开发研究新合金。关键词:铸造铝合金 研究 开发Review and Prospect of Cast Alum inum AlloyXiong Yanca
2、i L iu Bochao (Beijing Institute of AeronauticalMaterials)ABSTRACT The present research and development of classic cast alum inum alloys, A l2Si, A l2Cuet al, have been reviewed in this paper. The alum inum2matrix composites has also been reviewed. How2ever, faced the challege of 21st century, the c
3、lassic materialmust be connected w ith the development ofadvanced manufacture technology and casting process technology.Furthermore, w ith the developmentof modern industry, new cast alum inum alloys need to be developed and researched.KeyW ords: Cast Alum inum, Research, Develpment0 前 言铸造铝合金为传统的金属材
4、料,由于其密度小、 比 强度高等特点,广泛地应用于航空、 航天、 汽车、 机械等各行业。随着现代工业及铸造新技术的发展,对铸造铝 合金需求量越来越大。例如, 80年代末到90年代初,在 铸件总量停滞甚至下降的时候,日本的铝铸件产量一直 保持着年递增10%左右的高增长率1。又以汽车工业 为例,由于要降低能耗,汽车需减重,各国广泛地采用铝等有色铸件代替钢铁铸件。 到2001年,小汽车总重将降 低为800 kg,其中钢铁零部件为200 kg,铝合金零部件 为275 kg,镁合金将增为40 kg2。而汽车零部件70% 为铸件,由此可以看出,铸造铝合金的研究及应用将继 续得到发展。铸造铝合金的研究一直备
5、受关注,由于铝合金的熔 点相对较低,故许多学者以其为对象研究铸造过程的机 理。 同时,为全面发挥铝合金潜力,在铝合金熔炼工艺及 铸造工艺上的研究较多,如:铝合金净化、 变质、 细化、 合 金化、 纯化等,这些先进的工艺技术研究旨在改善铸造合金的工艺性,进一步提高合金的性能,生产出优质铸 件,以满足人们对铸件的越来越高的要求。 此外,许多特 种铸造铝合金也相继研制出,如高强度铸造铝合金ZL 205A ,b可达500M Pa;耐热铸造铝合金ZL 208,使 用温度为2503503。 近年来,铸造铝合金的研究也得到相应的发展,其 中发展较为迅速的是铸造铝基复合材料。铸造A l2Si基SiC颗粒增强复
6、合材料的研究和应用相对成熟。随着SiC颗粒的加入,提高了合金的性能,尤其是刚性和耐 磨性,并已应用到航空、 航天、 汽车等领域4,具有广阔的应用前景。此外,一些新型特种功能的铸造铝合金材 料也处于研究应用阶段。 尽管铸造铝合金具有广阔的应用前景,但其研究与 应用也面临着严峻的挑战。首先,随着现代工业的飞速 发展,人们对铸件的可靠性等要求越来越高,同时对合金综合性能和特种性能的要求不断提高。 如何使传统的 铸造铝合金在新世纪继续保持发展势头,如何开发研制 新合金满足各种需要,使得铸造铝合金这种传统的合金 材料焕发新的光彩,是摆在我们面前的重要课题。1 熊艳才 男, 1966年11月生,湖北武昌人
7、。1989年毕业于哈尔滨工业大学, 1996在华中理工大学取得博士学位,现任北京航空材料研究院高级 工程师。研究方向为铸造合金及工艺。在读期间曾研究了耐水砂磨损新型高铬白口铸铁,并研制出大型引黄用泵叶轮铸件;研究了铝合金液态质量控制 技术等课题。 工作期间以铸造铝合金及工艺的研究为主,从事铝锂合金、 高强铝合金及工艺、 大型复杂航空铝合金铸件的研究与开发工作,还开展了大型 复杂航空铝合金铸件铸造过程的模拟与测试的研究工作,并应用快速成型技术进行了铸件的研制。 已取得大型复杂航空铝合金铸件封闭型腔、 细长孔铸 造专利二项。在国内外学术刊物上发表论文10余篇。北京航空材料研究院,北京(100095
8、) 收稿日期: 1998- 03- 201 传统铸造铝合金研究几十年来,围绕铸造铝合金成分、 组织、 性能进行了大量的研究,使传统的铸造铝合金综合性能上了一个新 台阶。其中研究和应用较多的是A l2Si系合金和A l2Cu系合金。与此同时,铝合金的熔炼及处理技术也飞速地发展,一方面这些先进的合金液处理技术提高了合金性 能及铸件的整体性能;另一方面,利于生产和环境保护。下面针对上述两个方面进行阐述。111 铸造铝合金成分、 组织、 性能的研究11111 A l2Si系合金A l2Si系合金具有良好的铸造性能,故它是研究和 应用最为广泛的铸造铝合金,适用于各种铸造方法。Si作为该类合金的主要合金元
9、素加入,提高了合金的铸造 性能,改善了流动性,降低了热裂倾向性,减少了缩松,提高了气密性,可获得组织致密的铸件,该类合金具有 良好的抗蚀性,中等强度,但塑性较低。Si是该类合金组织中的第二相,它虽改善了合金 的铸造性能,但Si对合金的基体强度与韧性等均有所削弱(wSi 7% )。因此,A l2Si合金的研究主要是如何通过合金元素强化、 改变第二相组织、 减少合金杂质含量等,以提高合金的力学性能。 (1)合金元素对A l2Si合金性能的影响M g是A l2Si合金中主要的强化元素,M g与Si经 热处理强化形成M g2Si沉淀相,有效地提高了合金的性能。随着M g含量的增加,合金强度增加,但延性
10、下降。对于356合金,每增加0. 01%的M g,合金强度增加6189M Pa,但对于357合金,却只增加一半5。最新研究表明,M g可抑制Fe相的有害作用。当Fe的含量较低时,M g与Si仍形成M g2Si相,当含Fe量增加时,可形成A l2Fe2Si2M g化合物,从而减少Fe的危害6。Fe是A l2Si合金中另一个十分重要的元素, Fe在 合金中形成一些条状的脆性金属间化合物,如FeSiA l5等,即使是微量的Fe对合金的韧性与延性都有极大的影响。当Fe含量不超过0. 5%时,可使合金的强度略有升高,但超过0. 5%后,合金的强度缓慢下降7。减少Fe相的有害作用,一方面可通过提高冷却速度
11、,细化Fe相,另一方面主要通过合金元素 “中和” 。M n能改变Fe2SiA l5的条状组织,形成(FeM n)3Si2A l15的细小颗粒,对合金韧性基本无损,但Fe和M n的含量超过0. 8%时, 便形成六方晶球,合金性能便下降。与M n相似, Cr在A l2Si合金中形成(Cr, Fe)Si4A l13的团状组织,可减少Fe相的危害,但Cr和M n均不能改善合金的抗裂纹扩 展性能8。 最近研究表明,微量的Be即wBe为(510)10- 6时可防止合金氧化并提高合金的延性5, 9,Be的加入,改变了含Fe相的长条状结构,使之形成短条状和 立方晶体,从而提高了合金的韧性和延性。 其他合金元素
12、,如Cu, Zn等均对合金韧性有不利的影响,故一般作为杂质元素来控制。T i和B是微合金 化元素,可细化合金组织、 改善合金性能,但过多会引起 中毒现象10。T i含量的范围一般为0. 05%0. 2% ,过 多的T i对合金的力学性能有损。 有些研究者指出,过剩 的T iA l3阻止热处理过程中M g2Si相的析出11。(2)变质处理A l2Si合金的力学性能与其组织中第二相共晶 硅的形态与分布紧密相关。改变共晶Si的形态,减小其 对基体性能的削弱作用,是提高合金性能的有效途径。 自1920年Pacz12发现N a对A l2Si合金有变质作用以来,众多学者在此方面进行了大量的试验研究,A l
13、2Si合 金的变质机理,已逐渐被人们所认识,并已研制出多种 变质剂,且可对变质效果进行控制。A l2Si合金的变质机理有两种说法,核心说与生长 抑制说。现在一般倾向于后者。许多学者研究了A l2Si 合金中共晶Si的生长机制1315,共晶硅在生长时存在 内部缺陷14,并沿 211 方向择优生长成板片状,板片 状的共晶硅可通过小角度机制及大角度机制生成孪晶13。变质元素的加入,消除了共晶Si生长的固有台 阶,产生大量高密度孪晶,变为TPRE(Tw in PlanReentrant2Edge)生长机制,择优方向为 100,共晶硅 呈纤维状15。 抑制共晶Si的生长,需要有外来质点封锁 其固有台阶,
14、这些外来质点的最佳原子半径为0. 196nm13。原子半径与此值相近的元素可作为A l2Si合金 的变质剂,经试验研究,这类元素主要有:N a, Sr, Te,Ba, Sb, K, RE, Y,B, S等16。而目前应用较广泛的是N a和Sr。Sr变质与N a变质比较起来有许多的优点, 同时也是国际上研究和应用的趋势17。Sr变质可使A l2Si合金的强度提高20%左右,伸长率可提高23 倍18。气体精炼与加Sr变质是A l2Sr合金生产的主要 趋势。此外,与铸铁中改变石墨形态类似,即石墨球化后, 铸铁性能大幅度提高。最近,已有学者从事A l2Si合金 共晶硅球化研究工作,通过液态处理与热处理
15、相结合, 可使共晶硅团球化19,但尚未见详细报道。11112 A l2Cu系铸造合金A l2Cu系铸造铝合金牌号很多,Cu作为主要合金 元素加入,可提高合金的强度,改善高温性能,同时,也 利于材料的机加工。但A l2Cu系合金铸造性能较差,热 裂倾向大,并有晶间腐蚀和应力腐蚀倾向。A l2Cu系合 金可分为两大类:高强度铸造铝合金和耐热铸造铝合金。 由于耐热铸造铝合金的可使用温度和高温性能低于T i合金,故现逐渐被T i合金取代。但高强度铸造铝合2金的研究与应用仍保持良好势头,它可取代部分锻件,并铸造形状复杂的零件,在航空、 航天等领域有着广泛的应用。高强度铸造铝合金一般是单相合金,主要是通过
16、合金化、 纯化和细化来提高合金的强度。主要的合金元素有M n, T i, Zr,V ,Cd,B等。这些合金元素和Cu均固溶到 相的基体中,并通过时效强化,析出多种金属间化合物强化合金。通过T i和Zr等细化 晶粒,同时提高合金纯度,降低杂质元素如Fe, Si, Zn等的有害作用,可使合金强度、 延性大幅度提高。与A l2Si合金相比,其强度提高约100200M Pa。我国在高强度铸造铝合金的研究方面处于世界领先地位。早在70年代末,发明了ZL 205A20。按技术标准(HB962286)规定,b490M Pa(热 处 理 状 态 为T6),典 型 性 能 b可 达510M Pa3,是目前世界上强度最高的高强铸度造铝合金。该合金已在航空、 航天领域得到广泛应用。为进一步提高合金强度,各国学者一直致力于研究新的合金强化元素。合金元素Sc析出的A l3Sc相有很好的时效强化作用2123。 许多研究者认为,该元素将成为新的铝合金强化元素。11
