過共晶鋁硅合金的研究進展

劉 學，田 源，李美玲，李洪林

(1.遼寧忠旺集團有限公司 忠旺研究院，遼寧 遼陽 111003；2.遼寧工業大學 材料科學與工程學院，遼寧 錦州 121001)

近年來，汽車、船舶、國防軍工等領域的快速發展，對具有高功率密度、高緊湊性和高燃燒效率的內燃發動機技術提出了迫切需求。大扭矩、高轉速、高燃燒壓力極大地增加了發動機核心部件的機械負荷、熱負荷和磨損量。活塞是發動機的“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動機行業發展的“卡脖子”問題。

過共晶鋁硅合金具有熱膨脹系數小、耐磨性好、強度高、尺寸穩定性好、耐熱、耐腐蝕性好、減重效果好等特點，最適合制造高性能汽車發動機的氣缸、活塞等零件，能夠解決發動機存在的拉缸、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棱角尖銳、尺寸粗大的硅相，在硅相尖端部分容易產生裂紋，割裂基體，降低鋁硅合金的延伸率，嚴重限制了過共晶鋁硅合金的使用。

近年來，國內外研究學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者的重點研究方向之一。

1 變質處理

1.1 P變質處理

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

吳潤澤等人[1]采用P對過共晶Al-22%Si合金進行變質處理，發現P的最佳添加量為1.0%，經變質處理后，合金中初生硅形態無明顯變化，尺寸明顯減小，最小值為23μm。繼續增加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合金作為變質劑對不同硅含量的過共晶鋁硅合金進行變質，變質后采用熔體攪拌工藝，研究了攪拌工藝對最終變質效果的影響。研究發現，Cu-9%P合金變質過共晶鋁硅合金時，對熔體進行攪拌可顯著提高變質效果，初生硅細化率可達85%；在最佳攪拌時間內，攪拌強度越大、硅含量越高，變質效果越好；熔體攪拌容易得到均勻細小的AlP核心，當采用最佳的熔體攪拌工藝后，典型的共晶組織基本消失，可獲得連續的α基體上均勻分布細小初生硅的凝固組織。

1.2 稀土變質處理

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

1.3 P和稀土復合變質處理

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

2 快速凝固

快速凝固方法具有不同于常規鑄造的高冷卻速度，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、快速凝固-粉末冶金技術、噴射沉積技術和選擇性激光熔化技術。研究發現,隨著冷卻速度的增加，過共晶鋁硅合金的微觀結構細化、化學均勻性提高、固溶度增加、非晶及亞穩相形成，極大地改善了過共晶鋁硅合金的性能。同時發現，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，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，共晶硅由長針狀變為大量細小雪花狀等軸晶；硅相的形核和生長都受到了抑制，導致初生硅不能析出，最終凝固組織呈微納米級亞共晶組織。

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可以減小初生硅的尺寸，促進初生硅的析出，改善初生硅的形貌并減小初生硅的長大速率；超聲振動也可以促進共晶硅的析出，使共晶硅由長針狀轉變為短棒狀，且經超聲振動后共晶硅基本都在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。隨著超聲波處理時功率的提高，初生硅由粗大的板塊狀變成細小的顆粒狀，部分初生硅尖角鈍化；合金的抗拉強度和延伸率有所提高，經過1200W超聲波處理40s，延伸率由0.29%提高到0.44%，抗拉強度由180MPa提高到251MPa。

4 半固態處理

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

5 結束語

通過比較近年來研究結果可知，變質處理、快速凝固、超聲波處理以及半固態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，在初生硅得到細化的同時，力學性能顯著提高。但快速凝固、超聲波處理以及半固態處理等方法，所需工藝及相關設備比較復雜，技術成果不穩定，難以做成較大零件，成本相對較高，很難在工廠進行推廣應用。變質處理相比于其他方法而言，簡單易行，成本相對較低，變質效果相對穩定，適合在工廠進行大批量生產應用及推廣。

目前，我國汽車發動機活塞用的高品質鋁硅合金材料主要依靠進口，近年來國家加強了對高品質鑄鋁原材料的研發，以滿足航天航空的需求，未來將廣泛應用在汽車行業中，以滿足發動機活塞對高品質過共晶鋁硅合金的要求。