鋁硅合金性能研究

摘要：鋁硅合金具有耐磨性好、耐蝕性好、體積穩定性高等特點，成為發動機活塞類零件更新換代的材料。因為活塞長期在高溫的環境下工作，所以對活塞的強度有著非常高的要求。合金變形同熱處理相互結合，不僅能提高鋁硅合金的性能，而且可以優化共晶鋁硅合金組織，進而提高活塞使用壽命，在鋁硅合金的應用領域變得尤為重要。

關鍵詞：鋁硅合金；變形及熱處理；等軸晶；機械性能

一、鋁硅合金的基本性質

鋁硅合金常用在工業生產中作為鑄造鋁合金使用。其具有良好的鑄造性、優良的氣密性、較好的流動性、熱裂紋傾向性小、收縮率小的特點。合金經過熱處理及變質處理后，會得到很好的力學和物理性能。其耐腐蝕性和機器可加工性能較好，因鋁硅合金為共晶系合金，有著豐富的合金類型，在鑄造鋁合金的用途上較為廣泛。而且鋁硅合金材料還具有優良的導熱性。

硅元素在鋁硅合金中占主導作用，適量的加入硅元素是有益的，但是過量的硅元素會導致鋁硅合金中出現類似針形的共晶硅組織，其中還伴有大塊狀的初晶硅，其形狀為多角形，它對鋁硅合金產生很大的影響，會使其塑性和強度降低，機械性能下降，當鋁硅合金中加入適量的硅后可獲得較高的組織流動性，較低的表面收縮率，改善和減少合金的熱裂紋傾向。現代的工藝在保證其穩定性的前提下，大都采用變質處理，熱處理或精密鑄造等方法達到調節組織形態和分布的目的，進而得到優良的鋁硅合金組織，提到其綜合的機械加工性能。

二、鋁硅合金的組織

鋁硅合金組織包括共晶合金和過共晶合金，它們的組織上和在形態上存在差異，在顯微鏡下觀察過共晶鋁硅合金組織，大部分由針狀的硅和初晶硅共同組成，但是從比例分布來看含硅元素較比鋁元素要多，使得過鋁硅合金的熱膨脹系數變低，使合金具有良好的耐磨性。又因其含有與基體無共格界面，無塑性的初晶硅，它與基體不是很協調的存在，因此在形變過程中，受到橫向或縱向拉伸時，引起脆性相斷裂。極硬的質點初晶硅鑲嵌在軟的基體上，加工時使刀具磨損嚴重，降低零部件的切削加工性能，整塊的初晶硅剝落使加工表面變得粗糙。而在顯微鏡下觀察共晶鋁硅合金組織，可以發現常態下的鋁硅共晶合金，其組織由粗大針狀的硅晶體和固溶體組成，因硅相為脆性相基體，被針片狀基體割裂后，合金的強度和塑性大幅度的降低，需要經過變質處理后，使合金轉變成對合金性能有利的硅相形態，該種方法也可通過熱處理的工藝來實現。

三、鋁硅合金的性能

在鑄造合金中，鋁硅類合金的結晶溫度間隔最小，但是它的鑄造性能是很突出的。

（一）良好的流動性

與其它鋼鐵材料相比，鋁硅合金具有更好的流動性。在現代化的澆鑄生產加工中，導熱性低的氧化鋁膜會始終覆蓋在鋁液的表面，起到減緩鋁液向鑄型的散熱作用，又因為鋁硅合金的枝晶不發達，結晶溫度時間間隔小，在此前提下可以保證鋁液在鑄型中存在較長的流動時間，其良好的流動性可在凝固過程后的一段時間內，其鋁液仍可以流動。所以鋁硅合能鑄出效果很好，很薄及形狀復雜的鑄件。

（二）冷裂傾向性

鋁硅合金的固態合金的導熱性良好，故鑄造應力較小，不易產生冷裂，其線收縮率也比其他幾類鋁合金小。

（三）熱裂傾向性

一般加工情況下鑄件在凝固的過程中會形成氣孔，這與鋁合金本身的熱裂傾向性大有很大的關系，因鋁合金在固態和液態下可以溶解的氫含量不同，造成其鑄造時易產生氣孔。再者其熱裂傾向小會使鋁合金產生高的強度在其固相線的附近。為什么鋁液中會出現氫，主要有兩方面的來源，一方面在澆注時吸收了空氣的水汽，另一方面在澆注及熔煉時，鋁液接觸型砂中的水分，起了反應產生了氫。

四、各類合金元素對鋁硅合金性能的影響

（一）錳的影響

當鋁硅合金中加錳元素，組織中的粗大針狀β（Al9Fe2Si2）相會變為類似骨骼形態的鋁硅鐵錳相，緩解了合金中鐵元素對合金組織的影響。同時錳元素的強化性對合金有一定的作用。加入的錳量不易過多，存在一定的比例關系，經驗設定值為錳和鐵的比例在0.7～0.8左右合金效果最佳。

（二）鎂的影響

在鋁硅合金中加入不同等量的元素時，產生最好的強化效果當屬鎂元素。過量的鎂起不到強化作用，因為固溶處理后鎂元素不能全部溶入α相中，造成粗大的硅化鎂脆性相在合金中殘留，使塑性下降，故鎂含量控制在0.2%～0.45%范圍。加入少量的鎂在合金中，不僅可以提升合金的屈服強度，而且同時抗拉強度也得到了提升，這是因為加入鎂元素后合金產生了失效強化，α相中形成大量彌散分布的GP區和過渡β/相導致。

（三）銅的影響

鋁硅合金加入銅元素可提高其常溫和高溫性能。在AlSiMg合金中加入銅后，伴隨持續銅量的增加，合金的延伸率會下降，促使合金的熱強性和強度增加，同時進一步增加銅元素會使合金組織中的硅化鎂相變為W相，合金組織中還將出現θ（銅化二鋁）相。經過實驗表明溫度在250℃以下時W相的耐熱性最好，當強化相量相同時 W相的強化效果最好。但是當銅量高到一定數值時，鑄造性能會變壞其合金密度增大，熱裂傾向增加。

（四）稀土元素的影響

加入稀土元素在鋁硅合金中，可消除夾雜和細化晶粒、因稀土元素在25℃～400℃時的線膨脹系數僅為（6.7～7.9）×10-6/℃，所以加入稀土元素，可降低鋁硅合金的線膨脹系數，合金的體積穩定性顯著提高、耐熱性、流動性和熱強度減小，優化活塞間隙，增加了其氣密性，因為稀土元素具有有變質調節作用，是一種長效變質劑。但含量高時使合金變脆，一般<0.5%。

（五）鎳元素的影響

其能提高合金的耐熱性， 但是鎳在我國屬于稀缺元素， 一般情況下不建議使用，相對于儲備鎳較多的國家，大部分的過共晶鋁硅合金會加入一定數量的鎳，加入量大約在0.5%～20%。為了改善合金性能，進一步細化組織，會在鋁硅合金中加少量的Ti、Cr等其他合金元素。

五、鋁硅合金性能的綜述

鋁硅合金由于其共晶體有較好的加工性、塑性，因此在生產中具有很好的鑄造性能與機械性能。這兩種性能相互間的兼顧，可以在鋁硅合金的加工過程中完美的體現出來，因此鋁硅合金系材料是目前工業中應用最廣泛的鑄鋁合金系。

參考文獻：

[1]陸樹蓀，顧開道，等.有色鑄造合金及熔煉[M].北京：國防工業出版社，1983：3839.

作者簡介：劉洋（1983），男，漢族，遼寧沈陽人，本科，助理工程師，研究方向：鋁硅合金性能研究。