壓鑄鋁合金的應(yīng)用及研究進(jìn)展*

黃正華，張銀帥, ，宋東福，徐春杰，周永欣，李揚(yáng)德，李衛(wèi)榮

1．廣東省材料與加工研究所，廣東省金屬強(qiáng)韌化技術(shù)與應(yīng)用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東 廣州 510650；2．西安理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，陜西 西安710065；3．東莞宜安科技股份有限公司，廣東 東莞 523662

壓鑄鋁合金的應(yīng)用及研究進(jìn)展*

黃正華1，張銀帥1, 2，宋東福1，徐春杰2，周永欣2，李揚(yáng)德3，李衛(wèi)榮3

1．廣東省材料與加工研究所，廣東省金屬強(qiáng)韌化技術(shù)與應(yīng)用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東 廣州 510650；2．西安理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，陜西 西安710065；3．東莞宜安科技股份有限公司，廣東 東莞 523662

簡單介紹了壓鑄鋁合金的特點(diǎn)、分類和應(yīng)用，詳細(xì)闡述了壓鑄鋁合金在材料組織性能與壓鑄技術(shù)方面的研究進(jìn)展．最后，指出了目前鋁合金壓鑄件的發(fā)展方向，以及亟需解決的問題．

壓鑄鋁合金；研究進(jìn)展；壓鑄技術(shù)；大型復(fù)雜薄壁構(gòu)件

壓鑄鋁合金具有比強(qiáng)度高、良好的耐蝕、導(dǎo)電導(dǎo)熱及鑄造和加工等性能，被廣泛應(yīng)用于汽車、通訊電子和航空航天等領(lǐng)域中．隨著汽車等工業(yè)的發(fā)展，鋁合金壓鑄件產(chǎn)量年增近13%，占有色合金壓鑄件產(chǎn)量的75%以上．現(xiàn)鋁合金壓鑄件正向著大型、復(fù)雜、薄壁和高精度、集成化方向發(fā)展，這積極推動(dòng)了鋁合金壓鑄技術(shù)的發(fā)展．為此，本文對(duì)國內(nèi)外壓鑄鋁合金的應(yīng)用及研究現(xiàn)狀進(jìn)行綜合闡述，為后續(xù)開發(fā)低成本、高性能壓鑄鋁合金及先進(jìn)的壓鑄技術(shù)提供參考，促進(jìn)我國鋁合金壓鑄產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)．

1 壓鑄鋁合金的特點(diǎn)及分類

壓鑄鋁合金在保證順利壓鑄及滿足所制造零件的工作性能要求外，還應(yīng)具備[1]：(1)在過熱度不高，甚至處于固、液相線溫度范圍內(nèi)時(shí)，應(yīng)具有較好的塑性體流變性能，以便于填充復(fù)雜型腔，保證良好的鑄件表面質(zhì)量，減少鑄件內(nèi)收縮孔洞；(2)線收縮率小，以免鑄件產(chǎn)生裂紋和變形，提高鑄件尺寸精度；(3)結(jié)晶溫度范圍小，減少鑄件中收縮孔洞產(chǎn)生的可能性；(4)具有一定的高溫固態(tài)強(qiáng)度，防止模具開模時(shí)推出鑄件產(chǎn)生變形或破裂；(5)與壓鑄型不發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，親和力小，防止粘型和鑄件、鑄型相互合金化；(6)高溫熔融狀態(tài)下不易吸氣、氧化，以便滿足壓鑄時(shí)需長期保溫的要求．

按照合金成分來分，壓鑄鋁合金主要包括Al-Si，Al-Mg和Al-Zn等系列．共晶Al-Si合金具有結(jié)晶溫度間隔小，硅相具有凝固潛熱和比熱容較大、線收縮系數(shù)較小等特點(diǎn)，因此Al-Si系合金具有很好的鑄造性能、充型性能和更小的熱裂和縮松傾向．壓鑄鋁合金系中一般以Al-Si系合金為主，包括Al-Si-Cu和Al-Si-Mg系，如ADC12和ADC10合金等．但這類合金存在強(qiáng)度較低、塑性較差和切削加工性能一般等主要問題，為此近年來國內(nèi)外研究人員通過(微)合金化改善合金的組織，獲得低成本、高韌性壓鑄鋁合金．Al-Mg系合金具有室溫力學(xué)性能好、耐蝕性能強(qiáng)等特性，但存在鑄造性能較差、力學(xué)性能波動(dòng)和壁厚效應(yīng)較大及壓鑄件出現(xiàn)開裂和應(yīng)力腐蝕裂紋傾向較大等問題．Al-Zn系合金壓鑄件經(jīng)自然時(shí)效后可獲得較高力學(xué)性能，但其耐蝕性能差、應(yīng)力腐蝕傾向強(qiáng)及壓鑄易熱裂等缺點(diǎn)．表1為主要合金元素在壓鑄鋁合金中所起的作用[1-2]．

表1 主要合金元素在壓鑄鋁合金中所起的作用

2 壓鑄鋁合金的應(yīng)用

壓鑄行業(yè)的發(fā)展與汽車行業(yè)密切相關(guān)，近年來隨著我國汽車行業(yè)的迅猛發(fā)展，壓鑄行業(yè)亦發(fā)展迅速，未來會(huì)有更好的發(fā)展前景．當(dāng)今社會(huì)，人們對(duì)汽車要求趨于高性能、低污染、低能耗等．汽車重量對(duì)燃料經(jīng)濟(jì)性起著決定性作用，車重每降低100 kg，油耗可減少0.7 L/100 km．汽車降低能耗的途徑主要有改進(jìn)系統(tǒng)和減輕汽車重量，而使用輕質(zhì)材料制造汽車零部件是減輕汽車重量的有效途徑．鋁合金壓鑄件因優(yōu)異的材料性能、成型方便和輕量化等，使其成為首選．二十世紀(jì)70年代開始，鋁合金壓鑄件逐步替代鑄鐵，用量逐年增加，應(yīng)用范圍不斷擴(kuò)大．鋁合金壓鑄件在汽車上的應(yīng)用主要集中在殼體件、發(fā)動(dòng)機(jī)部件和其它非發(fā)動(dòng)機(jī)部件．圖1為目前國內(nèi)外汽車上使用的鋁合金壓鑄件匯總及占比[3]．

鋁合金壓鑄件還在通訊電子設(shè)備的外殼生產(chǎn)上占據(jù)舉足輕重的地位，如基站用濾波器腔體、發(fā)射器殼體、筆記本和手機(jī)的外殼等．特別是通訊基站類設(shè)備正朝向高散熱和高耐蝕性能及高薄方向發(fā)展，促進(jìn)鋁合金壓鑄技術(shù)朝向高精尖方向推進(jìn)，在滿足散熱和防腐蝕性能的前提下，通訊類鋁合金殼體正逐步走向輕量化．

圖1 汽車用鋁合金壓鑄件匯總及占比Fig.1 Summary and accounting for automotive aluminum alloy die-casting parts

3 壓鑄鋁合金組織與性能的研究現(xiàn)狀

壓鑄鋁合金自1914年投入商業(yè)生產(chǎn)后得到快速發(fā)展．隨著汽車行業(yè)的發(fā)展，對(duì)于力學(xué)性能要求高的汽車用零件壓鑄件，僅靠目前生產(chǎn)的壓鑄鋁合金難以滿足需求．為了提高其力學(xué)、導(dǎo)熱及疲勞等諸多性能，國內(nèi)外研究人員致力于開發(fā)新型的低成本、高性能壓鑄鋁合金，主要集中在Al-Si和Al-Mg兩系列．

3.1 Al-Si系壓鑄鋁合金組織與性能的研究現(xiàn)狀

目前，我國壓鑄產(chǎn)業(yè)使用最多的鋁合金為Fe含量0.8%～1.3%的Al-Si-Cu系，如ADC12等，但上述合金最大問題是韌性不夠，室溫伸長率通常不高于2%，且強(qiáng)度有待提高．要使鋁合金壓鑄件在汽車上得到更多地應(yīng)用，必須提高鋁合金的韌性．

不同種類和含量的稀土(RE)，對(duì)Al-Si合金的細(xì)化變質(zhì)效果不同．添加0.1%～0.3%的混合稀土能同時(shí)細(xì)化A356合金組織中的α-Al相和硅相[4]，Ce能細(xì)化Al-Si合金組織中的共晶硅[5]，而添加3%的La對(duì)A390合金組織中的硅相無變質(zhì)作用[6]．添加1.0%的Sm能明顯細(xì)化ADC12合金組織中的α-Al和共晶硅相，α-Al相二次枝晶間距由51 μm減至15 μm，平均晶胞尺寸由90 μm減至40 μm；共晶硅由粗大針狀變?yōu)槌叽巛^小的短棒狀或圓球狀，并且生成Al11Sm3相，使合金抗拉強(qiáng)度和伸長率分別達(dá)到220 MPa和3.1%，較ADC12合金分別提高22%和210%[7]．

在YL112合金基礎(chǔ)上開發(fā)的Al-Si-Cu-RE合金具有良好流動(dòng)性、耐磨性、氣密性和機(jī)加工性，力學(xué)性能明顯優(yōu)于同類Al-Si-Cu合金，可用于汽車變速箱、發(fā)動(dòng)機(jī)殼體、氣閥、方向器、活塞、輪轂等[8]．

在ADC12合金基礎(chǔ)上通過成分優(yōu)化設(shè)計(jì)，以及經(jīng)晶粒細(xì)化和變質(zhì)處理，可獲得一種具有更好壓鑄成形性和機(jī)械加工性能的壓鑄鋁合金ADC12.1R[9]．ADC12合金中加入La后，經(jīng)固溶時(shí)效組織中粗大塊狀多邊形初晶硅消失，針狀共晶硅形貌由長針狀變?yōu)槎贪魻钋覐浬⒎植?；有害化合物形態(tài)得到改善，并且固溶溫度越高，有害金屬間化合物溶解越多，晶粒越細(xì)??；當(dāng)La添加量為0.3%時(shí)，硅相細(xì)化和球化效果較佳[10]．當(dāng)ADC12合金中Mg<1.0%時(shí)，合金組織中將生成適量的Mg2Si強(qiáng)化相，同時(shí)細(xì)化共晶硅相且不偏聚，使鑄態(tài)和T6態(tài)合金的強(qiáng)度均隨Mg含量的增加而提高；而當(dāng)Mg>1.0%時(shí)，形成較多Mg2Si相且偏聚于晶界，造成合金強(qiáng)度下降[11]．Al-Si-Cu-Mg合金中加入Sc后，其循環(huán)變形抗力大幅提高，同時(shí)又延長了低周疲勞壽命[12]．

除合金成分外，熱處理和壓鑄工藝亦對(duì)壓鑄鋁合金的組織與性能有顯著影響．經(jīng)淬火的ADC12合金經(jīng)125 ℃保溫10 h的時(shí)效處理后，抗拉強(qiáng)度達(dá)到308 MPa，較熱處理前提高約20%[13]．在超低速試驗(yàn)條件下，持壓時(shí)間越長及增壓延時(shí)時(shí)間越短，ADC12合金鑄件性能越好；鑄造壓力保持在適當(dāng)范圍內(nèi)，當(dāng)壓力較小時(shí)，增大鑄造壓力可細(xì)化α相，鑄件性能升高；當(dāng)鑄造壓力過大時(shí)將導(dǎo)致α相粗大，鑄件性能降低[14]．較低的澆注溫度和壓射壓力有利于減少ADC12合金支架鑄件中氣孔的形成，慢壓射速度的降低有利于減少氣孔數(shù)量，但是當(dāng)一級(jí)壓射速度增至95 L/min時(shí)，反而有利于減少缺陷，過慢的慢壓射速度易增加合金液與空氣的接觸時(shí)間，導(dǎo)致氣孔數(shù)量的增加[15]．

3.2 Al-Mg系壓鑄鋁合金組織與性能的研究現(xiàn)狀

國內(nèi)外研究人員對(duì)Al-Mg系壓鑄鋁合金組織與性能的研究相對(duì)較少．二十世紀(jì)90年代，德國萊茵鋁業(yè)公司[16]從循環(huán)利用的鋁料中開發(fā)出低Fe含量的高強(qiáng)韌壓鑄鋁合金Magsimal-59(AlMg5Si2Mn)，其主要成分Mg含量為5%～6%，Si含量為1.8%～2.6%，Mn含量為0.5%～0.8%和Fe≤0.15%，并對(duì)Ni，Cu和Ca等元素含量進(jìn)行嚴(yán)格控制，由于有害富鐵相數(shù)量的減少，該合金伸長率通常高于常用壓鑄鋁合金；低Mg和低Si的耐蝕Al-2.5Si-2.1Mg-0.8Mn-0.2Cr合金具有流動(dòng)性良好、收縮率較小、熱裂敏感性較低、鑄造性能較好及T4狀態(tài)下力學(xué)性能較高、應(yīng)力腐蝕敏感性低、無局部腐蝕等特點(diǎn)，是作為艦船耐蝕鑄件的理想材料．上海交通大學(xué)丁文江課題組[17]通過調(diào)控Al-Mg-Si-Mn-Cu-Nd-La合金中Mg和Mn的含量，并添加少量RE，解決了壓鑄時(shí)的粘模問題，實(shí)現(xiàn)了高韌性和自強(qiáng)化的效果，壓鑄條件下合金室溫屈服強(qiáng)度≥140 MPa，抗拉強(qiáng)度≥260 MPa，伸長率>15%，性能穩(wěn)定的同時(shí)達(dá)到強(qiáng)度和韌性要求，此合金被命名為JDA2．

對(duì)于壓鑄Al-Mg-Si-Mn合金的微觀組織存在一些爭議，如少量沿晶界隨機(jī)分布的粒子，有人認(rèn)為是Mn與β-Al3Mg2相反應(yīng)后生成的Al6Mn相，也有人認(rèn)為是Al15(Fe, Mn)3Si2相[18-19]．

4 鋁合金壓鑄技術(shù)的發(fā)展

壓鑄技術(shù)是將壓鑄室內(nèi)澆入的液態(tài)/半固態(tài)合金在高壓高速下充填型腔、成型而獲得鑄件的方法，在此過程中壓射比壓、模具和澆注溫度、保壓時(shí)間、型腔真空度等是主要影響因素．傳統(tǒng)鋁合金壓鑄件中會(huì)存在以氣孔為代表的較多缺陷，氣孔產(chǎn)生原因主要有精煉除氣不良、模具排氣不良、壓鑄工藝參數(shù)不當(dāng)造成卷氣及產(chǎn)品壁厚差過大等引起的．氫氣也會(huì)造成鋁合金壓鑄件中產(chǎn)生細(xì)小分散的氣孔，即針孔．因此傳統(tǒng)壓鑄鋁合金件不宜進(jìn)行熱處理，從而制約了其力學(xué)性能的提高．近年來，為了解決壓鑄件內(nèi)部存在的氣孔和縮孔等問題，國內(nèi)外研究人員已提出真空壓鑄、半固態(tài)壓鑄和擠壓壓鑄等先進(jìn)技術(shù)[20]，以獲得高強(qiáng)、高致密性、可焊接、熱處理和扭曲的壓鑄件．

真空壓鑄是指將型腔內(nèi)氣體抽空或部分抽空，降低型腔內(nèi)氣壓，便于充型和排除熔體內(nèi)氣體，從而獲得致密壓鑄件的方法．該真空壓鑄件內(nèi)氣孔率顯著降低、微觀組織更細(xì)小、力學(xué)性能更高，且能進(jìn)行熱處理．近年來，真空壓鑄抽除型腔氣體主要有模具中直接抽氣和置模具于真空箱中抽氣兩種形式．其中模具排氣道位置和排氣道面積的設(shè)計(jì)至關(guān)重要；真空系統(tǒng)的選擇亦非常重要，要求在真空泵關(guān)閉之前型腔內(nèi)的真空度能保持至充型完畢．國內(nèi)一些高校、科研院所和企業(yè)對(duì)真空壓鑄技術(shù)開展了積極的研究．華中科技大學(xué)自主研發(fā)和設(shè)計(jì)的高空壓鑄用的真空截止閥及真空系統(tǒng)在實(shí)際真空壓鑄生產(chǎn)中具有指導(dǎo)意義，北京科技大學(xué)、清華大學(xué)、重慶大學(xué)、東北大學(xué)等高校對(duì)真空壓鑄工藝及其模擬仿真進(jìn)行了有益的探索．普通壓鑄件表面鼓氣嚴(yán)重，并且氣孔大且多，而真空壓鑄件表面更光潔、氣孔數(shù)量少及氣孔體積小[21]．經(jīng)500 ℃固溶處理后，AlSi9Cu3合金真空壓鑄件比普通壓鑄件可獲得更細(xì)小的共晶Si顆粒[22]．真空壓鑄件及后續(xù)熱處理件具有比普通壓鑄件更好的力學(xué)性能．ZL101合金高真空壓鑄件抗拉強(qiáng)度和伸長率分別比普通壓鑄件提高17.16%和71.98%，經(jīng)T6處理后抗拉強(qiáng)度再提高7.68%[23]．Cu含量為4.6%的ZL201合金真空壓鑄件的抗拉強(qiáng)度和伸長率分別由普通壓鑄件的231 MPa和6.6%提高至245 MPa和7.1%；經(jīng)T6處理后，普通壓鑄和真空壓鑄件抗拉強(qiáng)度分別提高至249 MPa和276 MPa，伸長率均有所降低[21]．AlSi10MgMn合金高真空壓鑄件經(jīng)T1處理后抗拉強(qiáng)度和伸長率分別達(dá)到351.3 MPa和3.5%，經(jīng)T5處理后伸長率達(dá)到8.3%，經(jīng)T6處理后抗拉強(qiáng)度和伸長率分別達(dá)到358.4 MPa和6.1%[24]．不同型腔真空度亦顯著影響壓鑄性能和熱處理性能．AlSi10MgMn合金高真空壓鑄件(真空度為95～97 kPa)的伸長率為普通壓鑄件的2.3倍，經(jīng)T1處理后高真空壓鑄件的屈服強(qiáng)度比低真空壓鑄件(真空度為65～70 kPa)提高64.2%，經(jīng)T5處理后高真空鑄件伸長率可達(dá)8.4%，經(jīng)T6處理后高真空鑄件屈服強(qiáng)度和伸長率分別達(dá)到339.8 MPa和6.7%[25]．

半固態(tài)壓鑄是指在一定的冷卻速率下獲得約50%甚至更高固相組分的漿料，通過壓鑄使?jié){料成形的技術(shù)．目前，主要有流變成形和觸變成形兩種工藝，成形工藝的關(guān)鍵是有效制取半固態(tài)合金漿料、精確控制固液組分的比例及半固態(tài)成形的自動(dòng)化控制．國內(nèi)北京有色研究總院、北京科技大學(xué)、清華大學(xué)等高校在坯料制備、流變學(xué)等方面作了一些研究，工業(yè)化應(yīng)用正在探索．半固態(tài)壓鑄成形工藝適合于高硅鋁合金材料零件的成形制造，該工藝可降低成形溫度，使合金的組織致密、性能提高．A390合金半固態(tài)流變壓鑄件經(jīng)T6處理后，其抗拉強(qiáng)度、伸長率和硬度分別為306 MPa，1.48%和128HBW，較普通壓鑄件的228 MPa，0.72%和88HBW分別提高34.2%，105.6%和45.5%；含Si量為20%的AlSiCuMgNiRE高硅鋁合金半固態(tài)流變壓鑄件的抗拉強(qiáng)度和伸長率分別達(dá)到310 MPa和0.68%，較普通壓鑄件的232 MPa和0.47%分別提高34%和47%[26]．A356合金半固態(tài)壓鑄件與普通壓鑄件相比，其組織晶粒更均勻、圓整，且氣孔缺陷明顯減少且組織致密，合金綜合力學(xué)性能更佳，且熱處理效果更好，經(jīng)T5處理后半固態(tài)壓鑄件抗拉強(qiáng)度和伸長率分別提高8%和90%[27]．半固態(tài)壓鑄成形加工技術(shù)今后應(yīng)在低成本制備加工用坯料、專用設(shè)備研制、模具設(shè)計(jì)及成形過程計(jì)算機(jī)模擬、開發(fā)適合于半固態(tài)加工用的新型材料等方面深入研究，以促進(jìn)這一技術(shù)的工業(yè)化應(yīng)用．

擠壓壓鑄又稱液態(tài)金屬模壓，擠壓壓鑄件致密性好、力學(xué)性能高且無澆冒口，該工藝具有良好的工藝優(yōu)勢，能替代傳統(tǒng)壓鑄和真空壓鑄等工藝．我國的一些企業(yè)已將其應(yīng)用于實(shí)際生產(chǎn)中，如二汽從日本引進(jìn)擠壓鑄造機(jī)生產(chǎn)發(fā)動(dòng)機(jī)小連桿等鋁合金鑄件，一汽用液鍛法生產(chǎn)CA6102發(fā)動(dòng)機(jī)活塞等．

5 結(jié) 語

壓鑄鋁合金在汽車、通訊電子和航空航天等領(lǐng)域中具有廣泛的應(yīng)用前景，且鋁合金壓鑄件向著大型、復(fù)雜、薄壁和高精度、集成化方向發(fā)展．為了拓寬應(yīng)用領(lǐng)域，今后還應(yīng)繼續(xù)解決以下問題：

(1)開發(fā)新型高強(qiáng)高導(dǎo)熱的壓鑄鋁合金、可著色的壓鑄鋁合金，以及用于生產(chǎn)有特殊安全性要求鑄件的新型壓鑄鋁合金；

(2)完善壓鑄新工藝，如真空壓鑄、半固態(tài)壓鑄、擠壓鑄造等；

(3)提高對(duì)市場的快速反應(yīng)能力，推行并行工程和快速原型制造技術(shù)；

(4)開展CAD/CAM/CAE系統(tǒng)的研發(fā)．

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Application and researchprogress of die-casting aluminum alloys

HUANG Zhenghua1，ZHANG Yinshuai1, 2，SONG Dongfu1，XU Chunjie2，ZHOU Yongxin2，LI Yangde3， LI Weirong3

1.GuangdongProvincialKeyLaboratoryforTechnologyandApplicationofMetalToughening，GuangdongInstituteofMaterialsandProcessing，Guangzhou510650，China；2.SchoolofMaterialsScienceandEngineering，Xi'anUniversityofTechnology，Xi’an710048，China；3.DongGuanEONTECCo.Ltd.，Dongguan523662，China

Firstly，the characteristics，classification and application of die-casting aluminum alloys are briefly introduced in the paper．Then，the research progresses of die-casting aluminum alloys on the microstructure and properties of materials and die-casting technology are reviewed in detail．Finally，the development of direction and existed problems need to be solved of the die-castings with aluminum alloys are pointed out to promote the transformation and upgrade of die-casting industry of aluminum alloys in China．

die-casting aluminum alloys；research status；die-casting technology；large，complex and thin-thick component

2017-02-14

廣東省高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)化項(xiàng)目(2013B010102024)；廣東省產(chǎn)學(xué)研合作項(xiàng)目(2014B090903016)；東莞市產(chǎn)學(xué)研合作項(xiàng)目(201550913400192)

黃正華(1978-)，男，江蘇昆山人，高級(jí)工程師，博士．

1673-9981(2017)01-0001-06

TG249 .2

A