过共晶铝硅合金的研究进展

刘 学，田 源，李美玲，李洪林

(1.辽宁忠旺集团有限公司 忠旺研究院，辽宁 辽阳 111003；2.辽宁工业大学 材料科学与工程学院，辽宁 锦州 121001)

近年来，汽车、船舶、国防军工等领域的快速发展，对具有高功率密度、高紧凑性和高燃烧效率的内燃发动机技术提出了迫切需求。大扭矩、高转速、高燃烧压力极大地增加了发动机核心部件的机械负荷、热负荷和磨损量。活塞是发动机的“心脏”，如何提高活塞材料的综合性能等成为制约我国高端发动机行业发展的“卡脖子”问题。

过共晶铝硅合金具有热膨胀系数小、耐磨性好、强度高、尺寸稳定性好、耐热、耐腐蚀性好、减重效果好等特点，最适合制造高性能汽车发动机的气缸、活塞等零件，能够解决发动机存在的拉缸、抱缸、窜油、窜气、积炭、耗油、增噪等问题，使汽车重量更轻、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，铝合金凝固组织中易出现棱角尖锐、尺寸粗大的硅相，在硅相尖端部分容易产生裂纹，割裂基体，降低铝硅合金的延伸率，严重限制了过共晶铝硅合金的使用。

近年来，国内外研究学者对提高过共晶铝硅合金综合性能方面，做了大量的研究工作，同时取得了最新的研究成果。提高过共晶铝硅合金综合性能一直是近年来研究学者的重点研究方向之一。

1 变质处理

1.1 P变质处理

P与铝反应形成AlP，AlP的晶格常数与初生硅非常接近，在凝固过程中AlP成为初生硅的形核基底，使初生硅细化。如果将P直接加入到铝液，由于P的吸收率不稳定，且污染严重，因此通常采用加含P的中间合金对过共晶铝硅合金进行变质处理。中间合金的种类有Cu-P、Al-Cu-P、Al-Si-P等，变质剂改用中间合金后，变质效果稳定，无污染，操作方便。

吴润泽等人[1]采用P对过共晶Al-22%Si合金进行变质处理，发现P的最佳添加量为1.0%，经变质处理后，合金中初生硅形态无明显变化，尺寸明显减小，最小值为23μm。继续增加P的添加量，初生硅尺寸有粗化的趋势。P对共晶硅组织几乎无影响。陈淑英等人[2]采用Cu-9%P合金作为变质剂对不同硅含量的过共晶铝硅合金进行变质，变质后采用熔体搅拌工艺，研究了搅拌工艺对最终变质效果的影响。研究发现，Cu-9%P合金变质过共晶铝硅合金时，对熔体进行搅拌可显著提高变质效果，初生硅细化率可达85%；在最佳搅拌时间内，搅拌强度越大、硅含量越高，变质效果越好；熔体搅拌容易得到均匀细小的AlP核心，当采用最佳的熔体搅拌工艺后，典型的共晶组织基本消失，可获得连续的α基体上均匀分布细小初生硅的凝固组织。

1.2 稀土变质处理

石为喜等人[3]采用LaCe混合稀土对过共晶A390合金进行变质处理，研究发现0.5%的LaCe混合稀土能够有效细化合金组织，经过变质处理后初生硅尺寸由40μm～60μm减小到10μm～30μm。X射线衍射分析结果表明，变质后的合金中有新的富稀土相生成。变质后合金的抗拉强度从168MPa提高到232MPa，伸长率从0.25%提高到1.32%。

1.3 P和稀土复合变质处理

采用单一元素变质处理过共晶铝硅合金时，初生硅的细化效果与形态的改善不能同时出现，为此人们采用复合变质处理的方法，通过P+Na、P+B+Ti、P+稀土以及多元复合等方法，最终获得组织细小、分布均匀、形状圆滑的初生硅。武宏发等人[4]采用P和稀土La复合变质处理对过共晶Al-Si合金微观组织的影响。研究发现当P加入量为0.06%后，初生Si的平均尺寸达到最小，从未变质时的122μm下降到25μm。但随着P含量的增加，初生硅尺寸变大，变质效果反而变差，出现过变质现象。采用P和La复合变质时(P的加入量始终为0.06%)，加入0.9%的La对共晶Si的变质效果最好；当La的加入量增加到1.2%时，也出现过变质现象。

2 快速凝固

快速凝固方法具有不同于常规铸造的高冷却速度，可以改善过共晶铝硅合金的显微组织，进而提高过共晶铝硅合金的综合性能。杨文涛等人[5]分析了使用不同快速凝固制备方法对过共晶铝硅合金组织和性能的影响，其中包括衬底急冷技术、快速凝固-粉末冶金技术、喷射沉积技术和选择性激光熔化技术。研究发现,随着冷却速度的增加，过共晶铝硅合金的微观结构细化、化学均匀性提高、固溶度增加、非晶及亚稳相形成，极大地改善了过共晶铝硅合金的性能。同时发现，采用不同的快速凝固制备方法，得到的过共晶铝硅合金的组织形貌也有所不同。王爱琴等人[6]对Al-21%Si合金采用快速凝固处理技术，快速凝固后晶粒的尺寸和组织形貌都有了明显的改善。合金的凝固组织中，共晶硅由长针状变为大量细小雪花状等轴晶；硅相的形核和生长都受到了抑制，导致初生硅不能析出，最终凝固组织呈微纳米级亚共晶组织。

3 超声波处理

用超声波处理过共晶铝硅合金熔体，凝固组织中初生硅得到细化，其尖角钝化程度也比较明显。在合金液相线以下施加超声振动可以减小初生硅的尺寸，促进初生硅的析出，改善初生硅的形貌并减小初生硅的长大速率；超声振动也可以促进共晶硅的析出，使共晶硅由长针状转变为短棒状，且经超声振动后共晶硅基本都在α-Al枝晶周围形核[7]。程兆虎等人[8]用超声波处理Al-20%Si合金。随着超声波处理时功率的提高，初生硅由粗大的板块状变成细小的颗粒状，部分初生硅尖角钝化；合金的抗拉强度和延伸率有所提高，经过1200W超声波处理40s，延伸率由0.29%提高到0.44%，抗拉强度由180MPa提高到251MPa。

4 半固态处理

对半固态亚共晶铝硅合金进行振动或搅拌处理后，可得到球状的初生α相[9]。受亚共晶铝硅合金半固态处理效果的启发，Lee等人[10]通过对过共晶Al-15.5%Si合金进行半固态处理后得到了球状初生硅。之后，人们采用了机械搅拌、电磁搅拌与振动、坡板浇道、超声波振动、半固态压缩等方法处理半固态过共晶铝硅合金，主要研究了初生硅尺寸和形貌的变化以及对合金力学性能的影响。总体上看，对半固态过共晶铝硅合金进行不同处理后，组织中的初生硅得到不同程度的破碎；从改变初生硅形态的效果看，只是初生硅尖角得到钝化。

5 结束语

通过比较近年来研究结果可知，变质处理、快速凝固、超声波处理以及半固态处理等方法均对改善过共晶铝硅合金的组织和性能有显著效果，在初生硅得到细化的同时，力学性能显著提高。但快速凝固、超声波处理以及半固态处理等方法，所需工艺及相关设备比较复杂，技术成果不稳定，难以做成较大零件，成本相对较高，很难在工厂进行推广应用。变质处理相比于其他方法而言，简单易行，成本相对较低，变质效果相对稳定，适合在工厂进行大批量生产应用及推广。

目前，我国汽车发动机活塞用的高品质铝硅合金材料主要依靠进口，近年来国家加强了对高品质铸铝原材料的研发，以满足航天航空的需求，未来将广泛应用在汽车行业中，以满足发动机活塞对高品质过共晶铝硅合金的要求。