過共晶鋁硅合金的研究進(jìn)展

劉 學(xué)，田 源，李美玲，李洪林

(1.遼寧忠旺集團(tuán)有限公司 忠旺研究院，遼寧 遼陽 111003；2.遼寧工業(yè)大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，遼寧 錦州 121001)

近年來，汽車、船舶、國防軍工等領(lǐng)域的快速發(fā)展，對具有高功率密度、高緊湊性和高燃燒效率的內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)提出了迫切需求。大扭矩、高轉(zhuǎn)速、高燃燒壓力極大地增加了發(fā)動(dòng)機(jī)核心部件的機(jī)械負(fù)荷、熱負(fù)荷和磨損量。活塞是發(fā)動(dòng)機(jī)的“心臟”，如何提高活塞材料的綜合性能等成為制約我國高端發(fā)動(dòng)機(jī)行業(yè)發(fā)展的“卡脖子”問題。

過共晶鋁硅合金具有熱膨脹系數(shù)小、耐磨性好、強(qiáng)度高、尺寸穩(wěn)定性好、耐熱、耐腐蝕性好、減重效果好等特點(diǎn)，最適合制造高性能汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的氣缸、活塞等零件，能夠解決發(fā)動(dòng)機(jī)存在的拉缸、抱缸、竄油、竄氣、積炭、耗油、增噪等問題，使汽車重量更輕、速度更快、功率更大、油耗更低、噪音更小。然而，由于硅含量的增加，鋁合金凝固組織中易出現(xiàn)棱角尖銳、尺寸粗大的硅相，在硅相尖端部分容易產(chǎn)生裂紋，割裂基體，降低鋁硅合金的延伸率，嚴(yán)重限制了過共晶鋁硅合金的使用。

近年來，國內(nèi)外研究學(xué)者對提高過共晶鋁硅合金綜合性能方面，做了大量的研究工作，同時(shí)取得了最新的研究成果。提高過共晶鋁硅合金綜合性能一直是近年來研究學(xué)者的重點(diǎn)研究方向之一。

1 變質(zhì)處理

1.1 P變質(zhì)處理

P與鋁反應(yīng)形成AlP，AlP的晶格常數(shù)與初生硅非常接近，在凝固過程中AlP成為初生硅的形核基底，使初生硅細(xì)化。如果將P直接加入到鋁液，由于P的吸收率不穩(wěn)定，且污染嚴(yán)重，因此通常采用加含P的中間合金對過共晶鋁硅合金進(jìn)行變質(zhì)處理。中間合金的種類有Cu-P、Al-Cu-P、Al-Si-P等，變質(zhì)劑改用中間合金后，變質(zhì)效果穩(wěn)定，無污染，操作方便。

吳潤澤等人[1]采用P對過共晶Al-22%Si合金進(jìn)行變質(zhì)處理，發(fā)現(xiàn)P的最佳添加量為1.0%，經(jīng)變質(zhì)處理后，合金中初生硅形態(tài)無明顯變化，尺寸明顯減小，最小值為23μm。繼續(xù)增加P的添加量，初生硅尺寸有粗化的趨勢。P對共晶硅組織幾乎無影響。陳淑英等人[2]采用Cu-9%P合金作為變質(zhì)劑對不同硅含量的過共晶鋁硅合金進(jìn)行變質(zhì)，變質(zhì)后采用熔體攪拌工藝，研究了攪拌工藝對最終變質(zhì)效果的影響。研究發(fā)現(xiàn)，Cu-9%P合金變質(zhì)過共晶鋁硅合金時(shí)，對熔體進(jìn)行攪拌可顯著提高變質(zhì)效果，初生硅細(xì)化率可達(dá)85%；在最佳攪拌時(shí)間內(nèi)，攪拌強(qiáng)度越大、硅含量越高，變質(zhì)效果越好；熔體攪拌容易得到均勻細(xì)小的AlP核心，當(dāng)采用最佳的熔體攪拌工藝后，典型的共晶組織基本消失，可獲得連續(xù)的α基體上均勻分布細(xì)小初生硅的凝固組織。

1.2 稀土變質(zhì)處理

石為喜等人[3]采用LaCe混合稀土對過共晶A390合金進(jìn)行變質(zhì)處理，研究發(fā)現(xiàn)0.5%的LaCe混合稀土能夠有效細(xì)化合金組織，經(jīng)過變質(zhì)處理后初生硅尺寸由40μm～60μm減小到10μm～30μm。X射線衍射分析結(jié)果表明，變質(zhì)后的合金中有新的富稀土相生成。變質(zhì)后合金的抗拉強(qiáng)度從168MPa提高到232MPa，伸長率從0.25%提高到1.32%。

1.3 P和稀土復(fù)合變質(zhì)處理

采用單一元素變質(zhì)處理過共晶鋁硅合金時(shí)，初生硅的細(xì)化效果與形態(tài)的改善不能同時(shí)出現(xiàn)，為此人們采用復(fù)合變質(zhì)處理的方法，通過P+Na、P+B+Ti、P+稀土以及多元復(fù)合等方法，最終獲得組織細(xì)小、分布均勻、形狀圓滑的初生硅。武宏發(fā)等人[4]采用P和稀土La復(fù)合變質(zhì)處理對過共晶Al-Si合金微觀組織的影響。研究發(fā)現(xiàn)當(dāng)P加入量為0.06%后，初生Si的平均尺寸達(dá)到最小，從未變質(zhì)時(shí)的122μm下降到25μm。但隨著P含量的增加，初生硅尺寸變大，變質(zhì)效果反而變差，出現(xiàn)過變質(zhì)現(xiàn)象。采用P和La復(fù)合變質(zhì)時(shí)(P的加入量始終為0.06%)，加入0.9%的La對共晶Si的變質(zhì)效果最好；當(dāng)La的加入量增加到1.2%時(shí)，也出現(xiàn)過變質(zhì)現(xiàn)象。

2 快速凝固

快速凝固方法具有不同于常規(guī)鑄造的高冷卻速度，可以改善過共晶鋁硅合金的顯微組織，進(jìn)而提高過共晶鋁硅合金的綜合性能。楊文濤等人[5]分析了使用不同快速凝固制備方法對過共晶鋁硅合金組織和性能的影響，其中包括襯底急冷技術(shù)、快速凝固-粉末冶金技術(shù)、噴射沉積技術(shù)和選擇性激光熔化技術(shù)。研究發(fā)現(xiàn),隨著冷卻速度的增加，過共晶鋁硅合金的微觀結(jié)構(gòu)細(xì)化、化學(xué)均勻性提高、固溶度增加、非晶及亞穩(wěn)相形成，極大地改善了過共晶鋁硅合金的性能。同時(shí)發(fā)現(xiàn)，采用不同的快速凝固制備方法，得到的過共晶鋁硅合金的組織形貌也有所不同。王愛琴等人[6]對Al-21%Si合金采用快速凝固處理技術(shù)，快速凝固后晶粒的尺寸和組織形貌都有了明顯的改善。合金的凝固組織中，共晶硅由長針狀變?yōu)榇罅考?xì)小雪花狀等軸晶；硅相的形核和生長都受到了抑制，導(dǎo)致初生硅不能析出，最終凝固組織呈微納米級(jí)亞共晶組織。

3 超聲波處理

用超聲波處理過共晶鋁硅合金熔體，凝固組織中初生硅得到細(xì)化，其尖角鈍化程度也比較明顯。在合金液相線以下施加超聲振動(dòng)可以減小初生硅的尺寸，促進(jìn)初生硅的析出，改善初生硅的形貌并減小初生硅的長大速率；超聲振動(dòng)也可以促進(jìn)共晶硅的析出，使共晶硅由長針狀轉(zhuǎn)變?yōu)槎贪魻?，且?jīng)超聲振動(dòng)后共晶硅基本都在α-Al枝晶周圍形核[7]。程兆虎等人[8]用超聲波處理Al-20%Si合金。隨著超聲波處理時(shí)功率的提高，初生硅由粗大的板塊狀變成細(xì)小的顆粒狀，部分初生硅尖角鈍化；合金的抗拉強(qiáng)度和延伸率有所提高，經(jīng)過1200W超聲波處理40s，延伸率由0.29%提高到0.44%，抗拉強(qiáng)度由180MPa提高到251MPa。

4 半固態(tài)處理

對半固態(tài)亞共晶鋁硅合金進(jìn)行振動(dòng)或攪拌處理后，可得到球狀的初生α相[9]。受亞共晶鋁硅合金半固態(tài)處理效果的啟發(fā)，Lee等人[10]通過對過共晶Al-15.5%Si合金進(jìn)行半固態(tài)處理后得到了球狀初生硅。之后，人們采用了機(jī)械攪拌、電磁攪拌與振動(dòng)、坡板澆道、超聲波振動(dòng)、半固態(tài)壓縮等方法處理半固態(tài)過共晶鋁硅合金，主要研究了初生硅尺寸和形貌的變化以及對合金力學(xué)性能的影響?？傮w上看，對半固態(tài)過共晶鋁硅合金進(jìn)行不同處理后，組織中的初生硅得到不同程度的破碎；從改變初生硅形態(tài)的效果看，只是初生硅尖角得到鈍化。

5 結(jié)束語

通過比較近年來研究結(jié)果可知，變質(zhì)處理、快速凝固、超聲波處理以及半固態(tài)處理等方法均對改善過共晶鋁硅合金的組織和性能有顯著效果，在初生硅得到細(xì)化的同時(shí)，力學(xué)性能顯著提高。但快速凝固、超聲波處理以及半固態(tài)處理等方法，所需工藝及相關(guān)設(shè)備比較復(fù)雜，技術(shù)成果不穩(wěn)定，難以做成較大零件，成本相對較高，很難在工廠進(jìn)行推廣應(yīng)用。變質(zhì)處理相比于其他方法而言，簡單易行，成本相對較低，變質(zhì)效果相對穩(wěn)定，適合在工廠進(jìn)行大批量生產(chǎn)應(yīng)用及推廣。

目前，我國汽車發(fā)動(dòng)機(jī)活塞用的高品質(zhì)鋁硅合金材料主要依靠進(jìn)口，近年來國家加強(qiáng)了對高品質(zhì)鑄鋁原材料的研發(fā)，以滿足航天航空的需求，未來將廣泛應(yīng)用在汽車行業(yè)中，以滿足發(fā)動(dòng)機(jī)活塞對高品質(zhì)過共晶鋁硅合金的要求。