高强韧铸造铝合金材料

邢小兵，孟琦，田合亭，张帅帅，李衍涛，刘小房，刘云芳，李鲁春

摘要：随着我国重工业的不断发展，铸造铝合金因其优异的性能被广泛应用，同时对铸造铝合金的强度和韧度也提出了更高的要求，铸造铝合金迎来了新的发展时代。本文主要研究高强韧铸造铝合金材料，简要阐述高强度铝合金的研究现状，分析几种铝合金的特点和使用情况，并针对铸造铝合金中存在的问题提出了解决办法和改善其韧度的途径，有助于推动实现铸造铝合金行业的稳定发展。

关键词：重工业；铸造铝合金；强度；韧度；稳定发展

前言：铸造铝合金价格低廉、组织各向同性、易于生产复杂的零部件，同时由于铸造铝合金的轻质结构特性，硬度高，散热性强，被广泛使用于汽车、船舶、航天等领域，可以简化形成工艺、节约加工成本，对促进我国重工业领域发展有着重要的意义。

一、高强韧铸造铝合金的研究现状

（一）Al-Si系合金

Al-Si铝合金具有质量轻、铸造性能好、收缩率小、热敏感度低、加工性能优良、价格低等特点，应用比较广泛的Al-Si合金为A357，该种合金是50年代末美国科学家试验出来的。现在工程结构中铝合金铸件越来越多，且性能要求越来越高，包括耐腐蚀性、耐高温和高强度等特性。研发新型高强度铸造铝合金成为近年来的研究热点，此时Al-Si-Cu-Mg铸造铝合金进入人们的眼帘，该合金具有优异的铸造性，经过热处理固化后可以获得良好的力学性能。

（二）Al-Cu系合金

Al-Cu系铸造铝合金具备高强度、良好的延展和塑形性能、另外还具有优异的高温、易切削性能。法国20世纪试验成功的A-U5GT合金是在Al-Cu系铸造铝合金基础上添加了Mg和Ti元素，不仅具备Al-Cu系铸造铝合金的优异性能，还有优良的综合力学性能。同样我国也试验出了高强高韧度铸造铝合金，取得了瞩目的成就。我国于20世纪70年代末试验出ZL205A合金，该种合金在常态下就有具备良好的抗压和延展性能，是目前世界上强度最高的铸造铝合金，同时具有非常优越的塑形能力、韧性、抗应力腐蚀性和易于焊接等特点，因此该种合金被广泛应用于航空航天领域，用于制造各种零部件，使用效果良好。但是Al-Cu系铸造铝合金结晶范围宽、铸造性能差、容易产生缩孔和裂纹等现象，因此不适用于精密零件的铸造。经过近年来的研究，对合金进行提纯，Al-Cu系铸造铝合金未来会发展成高性能铸造铝合金。

（三）Al-Mg系合金

Al-Mg系合金的性能要比Al-Si系合金要差，但是Al-Mg系合金具备优良的力学性能、高强度、良好的延展性和韧性、切削加工性能好、耐腐蚀。Al-Mg系合金中镁的质量分数在12%-13%时铝合金的性能最好，拉伸强度高达440 MPa，延展率也比较高。近年来低镁低硅的Al-Mg-Si系铸造铝合金也成为了研发重点，其流动性好、收缩力小、敏感度低、铸造性能好、有较好的力学性能、耐腐蚀性，与其他镁铝系合金相比性能更加突出，通常用于需要一定抗腐蚀性能的部件上。

（四）Al-Li系合金

Al-Li系合金是近年来铝合金领域研究的新目标，该合金具有高比强度、高比模量、优良的低温性能、抗腐蚀性和成型能力，用该合金代替常规的铝合金，可以有效地减少部件的质量和韧度，复制能力也要好于传统的铝合金，也被用于航空航天中，具有广阔的应用和发展前景[1]。

二、高强韧铸造铝合金的韧性增强措施

（一）优化合金成分

合金成分优化是提高铸造铝合金韧性的主要途径，各种微量元素会对合金铸造性能和力学性能产生很大影响。优化合金的元素含量，并通过热处理增强固液强化和第二相强化，会使合金的力学性能和强度得到大幅度提高。合金化元素主要为Cu、Mg、Si等元素，其中Si和Cu是所有的过共晶铝合金所使用的重要合金元素。在合金中硅的含量超过20%，可以提高合金的流动性和充型性、硬度、低温延展性和表面耐磨性；铜的含量一般在5%左右，能提高合金的抗拉强度。微量元素主要为Cd、Mn、Se、Ti等，微量元素可以起到沉淀强化和弥散强化的作用，其他几种微量元素则起到细化的作用。严格控制合金的杂质元素含量，也可以获得高强韧度铸造铝合金材料，故要尽量减少合金的其他杂质元素。

（二）烙体处理

铝的化学性质比较活泼，在熔炼过程中容易与水蒸气高温进行氧化，并且吸收氢气，氢气溶解在铝合金中会使铸件上产生孔洞，降低了铝合金铸件的拉伸强度和延展性。针对Al-Cu系铸造铝合金，科学家研制出了一种过热快速处理新工艺，合金在900℃左右保温15分钟，加入1/2或者1/4的回炉料进行现场浇灌，然后快速搅拌，经此工艺处理的合金力学性能明显提高，硬度和韧度也显著上升。

（三）晶粒细化

合金的晶粒尺寸严重影响着合金的力学性能，晶粒尺寸越小，合金的强度越高，韧性越好，因此晶粒细化是提高铝合金强度和韧度必不可少的技术手段。晶粒细化的方法主要有提高冷却速度、在凝固时振动、向熔体中添加晶粒细化剂、增加凝固时的非自发晶核等办法。合金的强度和延展性与晶面间距有关，晶面间距越大，铸造铝合金的强度越低，延展性越差。铸造铝合金和其他合金一样，在凝固过程中会形成树枝晶，铸造铝合金的力学性能也极大地取决于枝晶间距和大小，枝晶的尺寸减小，合金的拉伸强度和延展性将会提高。

（四）变质处理

变质处理的方法主要用来加工Al-Si合金，Al-Si合金还未变质时，共晶硅以粗大的针片形态出现，严重切裂基体，并且应力更加集中，导致合金的力学性能和韧性下降。通过变质处理，改变共晶硅的形态，减少共晶硅对合金的影响，可以有效提高合金的性能。作为变质剂的元素有Na、Sr、Ba等，广泛使用的只有Na和Sr这两种元素[2]。

三、高强韧铸造铝合金的发展

高强韧度铝合金的发展主要基于航空航天事业的发展，航空材料大部分都采用高强韧度铝合金，航空材料对高强韧度铝合金的强力需求带动了铝合金的发展。近年来，由于对飞行器的性能提出了更高要求，航空航天材料就需要进一步优化，所以我国不断提高对高强韧度铝合金的重视程度，不断探索改进现有的铝合金材料。通过在铝合金中添加不同的微量元素来改变合金的性能，同时探索铸件工艺，通过高科技手段促进合金产品元素分布均匀，降低生产成本，虽然我国已处于铸造领先地位，但仍要不断探索，以创新的方式成为铸造强国。

结论：综上所述，我国铸造铝合金行业虽然近年来飞速发展，但是相较于铸造强国，仍然存在较大的差距，要保持虚心的状态不断研究，培养更多的铸造铝合金专业人才，加强对铸造铝合金材料和工艺项目的投入，引进先进的科研设备，促进我国铸造铝合金行业的可持续发展。

参考文献：

[1]范卫忠,黄建良,闫俊,等.压铸造高强韧Al-Si-Cu-Mg合金组织性能研究[J].特种铸造及有色合金,2022,42(04):513-516.

[2].南方科技大学研发新型3D打印高强韧铝合金[J].特种铸造及有色合金，2022,42(01):21.