Umfassend! Forschungsfortschritt bei Hochleistungs-Quetschguss-Al-Si-Legierungen

Schlüsselwörter: Squeeze-Casting; Al-Si-Legierungen; Legierungselemente; Modifikation der Impfung; Mikrostruktur und Eigenschaften
Mit der Squeeze-Casting-Technologie können komplexe, hochfeste und zähe Endform- oder nahezu Endform-Gussteile aus dünnwandigen Aluminiumlegierungen hergestellt werden, die breite Anwendungsaussichten in den Bereichen Automobilguss und Luft- und Raumfahrt bieten. Al-Si-Legierungen zeichnen sich durch gute Gusseigenschaften, hohe spezifische Festigkeit, gute Verschleißfestigkeit, Wärmebehandlung und niedrige Kosten aus. Sie sind die am frühesten erforschten, am weitesten entwickelten und am häufigsten verwendeten Aluminiumlegierungen in Aluminiumgusslegierungen. Unter den Al-Si-Legierungen kann die untereutektische Al-Si-Legierung mit einem Si-Gehalt (Massenanteil) von 2 % bis 12,6 % eine hohe plastische Zähigkeit bei gleichzeitig hoher Festigkeit gewährleisten, während die übereutektische Al-Si-Legierung mit einem Si-Gehalt von mehr als 12,6 % eine hohe Festigkeit aufweist. Die kristalline Al-Si-Legierung zeichnet sich durch eine gute Druckfestigkeit, eine hohe Verschleißfestigkeit und einen niedrigen Wärmeausdehnungskoeffizienten aus. Es ist ein ideales Material für die Herstellung von Automobilkolben, Zylinderblöcken, Taumelscheiben und anderen Teilen. Dieses Thema zielt auf Al-Si-Legierungen und ihre Verbundwerkstoffe ab und fasst die Aspekte des Legierungszusammensetzungsdesigns und des Impfmodifikators zusammen, die als Referenz für die Entwicklung von Hochleistungs-Al-Si-Legierungen im Squeeze-Casting-Verfahren dienen können.



1. Auswirkungen von Legierungselementen auf die Mikrostruktur und die Eigenschaften von pressgegossenen Al-Si-Legierungen



1.1 Si-Element

Derzeit umfassen die Strangguss-Al-Si-Legierungen hauptsächlich die untereutektische Al-(4~8)Si-Reihe (I), die Al-(9~13)Si-Reihe (II) und die übereutektische Al-(14~22)Si-Reihe (III). Abbildung 1 fasst die Zugeigenschaften von Al-Si-Legierungen zusammen. (a) Zugfestigkeit (b) Dehnung

Abb.1 Statistisches Diagramm der Zugfestigkeit und Dehnung von Al-Si-Legierungen

● Quetschguss, ▲Quetschguss + Wärmebehandlung, ★Halbfest-Quetschguss + Wärmebehandlung



1,2 Mg- und Cu-Elemente

Mg- und Cu-Elemente haben offensichtliche Auswirkungen auf die Mikrostruktur und die mechanischen Eigenschaften von Al-Si-Legierungen. Xu Song et al. fanden heraus, dass sich mit der Erhöhung des Mg-Gehalts von 1 % auf 2 % die Morphologie der eutektischen Siliziumphase in der extrusionsgegossenen Al-10Si-2,5Cu-xMg-Legierung von Nadelstreifen zu feinkörnig änderte. Bei einem Mg-Gehalt von 1,5 % erreicht die Zugfestigkeit der Legierung den Maximalwert (ca. 290 MPa). Ähnliche Ergebnisse wurden in der Studie von JIANG B et al. erhalten: Mit der Erhöhung des Mg-Gehalts (0,2 % bis 2,6 %) veränderte sich die Morphologie des eutektischen Siliziums in der druckgegossenen Al-10Si-2,5Cu-0,8Fe-xMg-Legierung von flockenartig. Es ist faserig und die Fe-haltige Phase ändert sich von der Stabform in die Form feiner Flocken und dann in die Stabform; Bei einem Magnesiumgehalt von 1,38 % erreicht die Zugfestigkeit der Legierung den höchsten Wert von 289 MPa.

LIU HJ et al. fanden heraus, dass sich bei einem Cu-Gehalt von 2,25 % und einem Cu/Mg-Massenverhältnis von 4 die Festigkeitsphase in der wärmebehandelten, pressgegossenen Al-10,7Si-2,25Cu-0,56Mg-Legierung von θ-Al2Cu zu Mg2Si, θ-Al2Cu und Q-Al5Cu2Mg8Si6 änderte und die Zugfestigkeit der Legierung auf 426 MPa anstieg. LI R et al. fanden heraus, dass nach Zugabe von Cu- und Mg-Elementen die Zugfestigkeit der pressgegossenen Al-17Si-2Cu-0,4Mg-1,5Fe-Legierung 225 MPa betrug, was 72 MPa höher war als die der pressgegossenen Al-17Si-Legierung. MAENG D et al. Nach weiterer Zugabe von Cu und Mg kann die Zugfestigkeit von Pressguss Al-17,48Si-4,25Cu-0,6Mg 315 MPa erreichen. Daher kann die Zugabe geeigneter Mengen an Cu und Mg die mechanischen Eigenschaften der Legierung deutlich verbessern.

1.3 Ce-, Sc- und Ni-Elemente

AO XH et al. untersuchten die Wirkung des Ce-Elements auf das eutektische Si und die mechanischen Eigenschaften der pressgegossenen A380-Legierung. Wenn der spezifische Druck 100 MPa beträgt und der Ce-Gehalt im Bereich von 0,1 % bis 0,5 % liegt, ist der Modifikationseffekt von eutektischem Si offensichtlich: Die durchschnittliche Länge von eutektischem Si nimmt von 24,82 μm auf 10,87 μm ab, und die Erhöhung der Anzahl der Al8Cu4Ce-Phasen erhöht die Zugfestigkeit der Legierung. Die Festigkeit wurde von 210 MPa auf 254 MPa erhöht. KITTISAK et al. festgestellt, dass bei einem Fe-Gehalt von weniger als 0,2 % und einem Sc-Gehalt von 0,2 % eine kleine Menge kleiner und runder Sc-reicher intermetallischer Verbindungen in der Al-7Si-0,3Mg-Fe-Legierung gebildet werden kann und das eutektische Si fein wird, so dass die Legierungshärte, Streckgrenze und Zugfestigkeit verbessert werden, während eine gute Dehnung erhalten bleibt. Bei einem Sc-Gehalt von 0,4 % steigt die Zahl der Sc-reichen intermetallischen Verbindungen und die Dehnung der Legierung nimmt ab. Li et al. fanden heraus, dass mit der Erhöhung des Ni-Gehalts von 0 auf 2,0 % der Volumenanteil der Ni-haltigen intermetallischen Verbindungen in der Squeeze-Cast-A380-Legierung zunahm und die Streckgrenze und Zugfestigkeit der Legierung um 39 % bzw. 13 % zunahmen.

1.4 Schmelzebehandlung und Impfverschlechterung

1.4.1 Schmelzverarbeitung

Zu den gängigen Schmelzreinigungsmethoden gehören die Fluxmethode, die Flotationsmethode und die Filtrationsmethode. Darüber hinaus gehören zu den gängigen Schmelzbehandlungsmethoden die Ultraschallbehandlung, die Vakuum-Magnetsuspensionsbehandlung, die Schmelzüberhitzungsbehandlung, die Behandlung mit elektromagnetischem Rühren und die Behandlung mit elektrischen Impulsen. Xia Feng et al. fanden heraus, dass die Ultraschallbehandlung die Ausfällungstemperatur der primären Kristallphase und der eutektischen Phase in der Al-Si-Legierungsschmelze erhöhen kann, was dazu führt, dass die α-Al-Phase in der Legierung fein und rund ist und sich die primäre Si-Phase von grober und unregelmäßiger Morphologie zu kleiner und gleichmäßiger verteilt ändert. Zhang Liang et al. verwendeten Vakuum-Magnetschwebetechnik zum Schmelzen der A356-Legierung und stellten fest, dass sich die eutektische Siliziumphase im Vergleich zum herkömmlichen Schmelzen von schlanken Nadeln zu kurzen Flocken veränderte und die Dichte der Legierung um 1,14 % zunahm und die Struktur dichter war. Dang Bo et al. Es wurde festgestellt, dass die primäre Si-Phase in der hypereutektischen Al-25Si-Legierung dazu neigt, in Facetten zu wachsen, wenn die Überhitzungstemperatur unter 960 °C liegt. Wenn die Überhitzungstemperatur höher als 960 °C ist, schwächt sich mit zunehmender Überhitzungstemperatur die Tendenz der primären Si-Phase ab, in Facetten zu wachsen. Miao Long verwendete elektromagnetisches Rühren zur Herstellung einer Al-20Si-Legierung und stellte fest, dass mit zunehmender Rührspannung die Absonderung von Primärsilizium am Rand der Probe deutlicher wurde. Zhang Guangan et al. wandten eine elektrische Impulsimpfungsbehandlung auf eine Al-7Si-Mg-Legierung an und stellten fest, dass die säulenförmige α-Al-Phase eine nahezu kugelförmige Form annahm und der Kornverfeinerungseffekt sehr offensichtlich war.

Abb.2 Mikrostruktur einer Al-20Si-Legierung bei unterschiedlicher Ultraschallleistung

1.4.2 Al-Ti-B-Refiner

Impfmodifikator wird häufig im Schwerkraftguss, im Hochdruckguss von Aluminiumlegierungen und in anderen Bereichen eingesetzt. Unter diesen wird der Al-Ti-B-Kornfeiner in Aluminiumlegierungen am häufigsten verwendet. Die Al-5Ti-B-Legierung ist wirksam für verformte Aluminiumlegierungen, kann jedoch keine gute Verfeinerungswirkung auf gängige Aluminium-Silizium-Gusslegierungen (Si≥5 %) erzielen. Dieses Phänomen wird als „Siliziumvergiftungseffekt“ bezeichnet. Der neue Al-Ti-Nb-B-Kornfeiner, der auf der Grundlage des herkömmlichen Al-Ti-B-Raffinierers entwickelt wurde, bildet durch den synergistischen Effekt von Ti/Nb B2-Partikel (Ti, Nb) in der Schmelze, die die Keimbildung in der Legierungsschmelze fördern können und der Kornfeinungseffekt offensichtlich ist. Um die siliziumvergiftende Wirkung von Al-5Ti-B zu vermeiden, haben DONG X et al. und ZHANG YH et al. entwickelte Al-3Ti-3B- und Al-3V-B- bzw. Al-3Ti-1B-Refiner, die alle den „Siliziumvergiftungseffekt“ deutlich verbesserten.

1.4.3 Al-P-Modifikator

Der Vorlegierungsmodifikator vom Typ Al-P zeichnet sich durch einen guten und stabilen Modifikationseffekt, keine Verschmutzung, eine starke Adsorption und niedrige Kosten aus. Darüber hinaus kann durch den Einsatz neuer Al-P-Ti-TiC-Y- und Al-P-Ti-TiC-Nd2O3-Refiner eutektisches Silizium auf 20 μm verfeinert werden.

1.4.4 Modifikatoren mit Sr

Sr-haltige Modifikatoren zeichnen sich durch eine gute metamorphe Wirkung, eine lange Wirkungsdauer, Recyclingfähigkeit und geringe Umweltverschmutzung aus. Die Forschungsergebnisse von Wang Yong et al. zeigen, dass sich die Morphologie des eutektischen Siliziums in der Al-7Si-Legierung von einer langen Nadelform zu einer kurzen Nadelform ändert, wenn der Sr-Gehalt 0,06 % beträgt. JEYAKUMAR J et al. fanden heraus, dass Sr den biplane reentry Wachstumsmechanismus von eutektischem Silizium nicht beeinflusst, sondern während der eutektischen Reaktion eine metamorphe Al2Si2Sr-Phase an der Grenze zwischen eutektischen Silizium- und Aluminiumkörnern bildet. Weitere Untersuchungen ergaben später, dass die in der Schmelze gebildeten Al2Si2Sr-Cluster den für die Keimbildung von eutektischem Si erforderlichen Unterkühlungsgrad erhöhen und auch das Wachstum eutektischer Si-Zwillinge beeinflussen würden, um eutektisches Si zu modifizieren. Die Mikrostrukturen der unmodifizierten und Sr-modifizierten Legierungen unterscheiden sich erheblich, wie in Abbildung 5 dargestellt.
Abb.3 Schematische Darstellung des Mechanismus der durch Al-5Ti-B-Refiner verursachten Siliziumvergiftung

(a) Durchschnittliche Korngröße von α-Al in einem Al-10Si-Legierungsblock (b) Al-0,5Ti-2,0Nb-0,3B (c) Al-1,2Ti-2,9Nb-0,5B (d) Al-3B (e) Al-2,08Nb-0,23B

Abb.4 Kornfeinungseffekt verschiedener Arten von Kornfeinungsmitteln auf eine Al-10Si-Legierung
(a1, a2, a3) unverändert (b1, b2, b3) Sr modifiziert

Abb.5 Mikrostrukturen von unmodifizierten und Sr-modifizierten Al-12,7Si-Legierungen

(a1) und (b1) eutektische Phasen (grau für α-Al und dunkelgrau für Si); (a2) und (b2) entsprechen den EBSD-Phasenartendiagrammen von (a1) bzw. (b1) (α-Al ist blau, Si in rot), (a3) ​​und (b3) EBSD-Kornorientierungsdiagramme mit farbskalierten Umkehrpoldiagrammen in der unteren linken Ecke von (a3)

1.4.5 Zusammengesetzte Metamorphose

Die Zugabe von Sr als Modifikator in Al-Si-Legierungen verändert die Morphologie des eutektischen Si von groben Platten oder Nadeln zu feinen Fasern. Die Zugabe von Sr kann jedoch zur Bildung einer langen säulenförmigen dendritischen α-Al-Phase (α-Al-Phase mit relativ großer Längsgröße) führen. Daher ist es auch erforderlich, andere Elemente hinzuzufügen, um die lange säulenförmige dendritische α-Al-Phase zu verändern. LIAO HC und andere Studien ergaben, dass in der Al-13.0Si-Legierung ein zugesetzter Al-5Ti-1B von mehr als 0,82 % einen nachteiligen Einfluss auf die Modifikation von Sr hat. Anschließend wurde die Al-5Ti-1B-Legierung durch eine Al-1B-Vorlegierung ersetzt. Es wurde festgestellt, dass zusätzlich zur Größe des eutektischen Siliziums auch die Größe der α-Al-Dendriten in der Legierung deutlich verringert war und die Legierung nach der Verbundbehandlung gute mechanische Eigenschaften aufwies. HAGHAYEGHI R et al. fügte der hypereutektischen A390-Legierung (Al-17,4Si-5Cu) die Elemente Sr und Sb hinzu, um den primären Siliziumkristall zu verfeinern. Es wurde festgestellt, dass Sb die primären Si-Kristalle durch Zwillingsbildung und Erhöhung der Stapelfehlerdichte verfeinert, während Sr das primäre Si durch die Bildung von Knicken verfeinert, die zusammen das eutektische Si verfeinern. CHO Y et al. fügten P- und Sr-Elemente zu untereutektischen Al-Si-Legierungen hinzu und stellten fest, dass die Al2Si2Sr-Phase in der Legierung die AlP-Phase in der Legierung umgibt, was zu einer Vergiftung oder Deaktivierung der beiden Phasen mit raffiniertem eutektischem Si führte. Dies führt zu grobem eutektischem Silizium in Al-Si-Legierungen, wobei diese beiden Elemente gleichzeitig hinzugefügt werden.

Tabelle 1 zeigt die mechanischen Eigenschaften einiger Al-Si-Legierungen. Es zeigt sich, dass Art und Gehalt der Legierungselemente einen wichtigen Einfluss auf die Mikrostruktur und die Eigenschaften von pressgegossenen Al-Si-Legierungen haben. Für die Herstellung leistungsstarker Al-Si-Legierungen im Pressgussverfahren ist die Erforschung der Arten und Gehalte von Haupt- und Mikrolegierungselementen wichtig. Bedeutung.

2 Squeeze-Casting von Al-Si-Legierungsverbundwerkstoffen



Metallmatrix-Verbundwerkstoffe sind zu einem wichtigen Strukturmaterial in der Luft- und Raumfahrt- und Automobilindustrie geworden. Im Vergleich zu herkömmlichen Materialien weisen Metallmatrix-Verbundwerkstoffe eine hohe spezifische Festigkeit, eine gute Verschleißfestigkeit, ein geringes Teilegewicht und eine stabile Hochtemperaturfestigkeit auf. Unter den zahlreichen Verarbeitungsverfahren ist Squeeze Casting eine effektive Methode zur Herstellung von Hochleistungs-Metallmatrix-Verbundwerkstoffen.

2.1 Anorganische nichtmetallische Verbundwerkstoffe auf Al-Si-Basis

Anorganische nichtmetallische Materialien, die üblicherweise zum Compoundieren mit Aluminiumlegierungen verwendet werden, sind: Borcarbid (B4C), Aluminiumoxid (Al2O3), Diamant und Siliziumcarbid (SiC). Unter diesen Materialien weisen mit Siliziumkarbid (SiC) verstärkte Aluminiummatrix-Verbundwerkstoffe bessere mechanische Eigenschaften und niedrigere Herstellungskosten auf. GURUSAMY P et al. untersuchten die Auswirkung des Squeeze-Gießdrucks auf die Mikrostruktur und die mechanischen Eigenschaften von Al/SiCp-Metallmatrix-Verbundwerkstoffen. Es wurde festgestellt, dass die Verbundwerkstoffe mit SiC-Partikeln bei einem Quetschgussdruck von 100 MPa eine geringere Porosität, eine um 300 % erhöhte Zugfestigkeit und eine um 51 % erhöhte Härte aufwiesen. GURUSAMY P et al. und ARULRAJ M et al. fanden heraus, dass die Partikelverteilung im Al/SiCp-Verbundwerkstoff am gleichmäßigsten war und die Zugfestigkeit den Maximalwert (245 MPa) erreichte, wenn die Gießtemperatur und die Düsentemperatur 850 °C bzw. 350 °C betrugen. Allerdings verringert die Spannungskonzentration in der Nähe der SiC-Partikel die Plastizität des Materials.

MANU KS et al. Hergestellte SiO2-verstärkte Aluminiummatrix-Verbundwerkstoffe im Mikrometerbereich durch Squeeze-Casting-Verfahren. Da die SiO2-Partikel gleichmäßig in der Matrix verteilt sind, weisen die mit Mikron SiO2 verstärkten Aluminiummatrix-Verbundwerkstoffe bessere mechanische Eigenschaften und Korrosionsbeständigkeit auf. CHOU SN et al. untersuchten die mechanischen Eigenschaften von quetschgegossenen Verbundwerkstoffen aus Al2O3/A356-Aluminiumlegierungen. Es wurde festgestellt, dass bei einer Erhöhung des A356-Legierungsgehalts von 5 % auf 40 % die Härte (HV) der Verbundwerkstoffe von 109 auf 227 sank und die Bruchfestigkeit von 492,5 MPa auf 457 MPa sank. KRISHNAN PK et al. Als Ersatz für die Al-7Si-Mg-Legierung wurden Schrottaluminiumlegierungen als Matrix und als Verstärkungsmaterial Aluminiumoxidkatalysatorabfälle aus Raffinerieabfällen verwendet, was die Festigkeit des Verbundmaterials erheblich verringerte, vorausgesetzt, dass die Zugfestigkeit nicht wesentlich abfiel. Produktionskosten. JIANG L et al. untersuchten auch die Grenzflächeneigenschaften von Diamant/Aluminium-Verbundwerkstoffen mit hoher Wärmeleitfähigkeit durch Squeeze-Casting. Die Ergebnisse zeigen, dass das lattenförmige Al4C3 auf der Grenzfläche zwischen Diamant und Aluminiumlegierung nach einem trapezförmigen Stufenmechanismus wächst und die lattenförmige Al4C3-Spitzenschnittstelle eine raue Schnittstelle ist, die in einem kontinuierlichen Wachstumsmodus wandert.

2.2 Aluminium-Aluminium-Bimetall-Verbundwerkstoffe

Aluminium-Aluminium-Bimetall-Verbundwerkstoffe bieten einzigartige Vorteile bei der Erfüllung der leistungsstarken und effizienten Produktionsanforderungen in Bereichen wie der Automobil- und Luft- und Raumfahrtindustrie. Unter diesen weist die Aluminiumlegierung 6101 eine hohe Festigkeit, ausgezeichnete Wärmeleitfähigkeit und elektrische Leitfähigkeit auf; während die Aluminiumlegierung A356 gute Gusseigenschaften, eine hohe Zugfestigkeit und Ermüdungsbeständigkeit aufweist. Das durch Verbund-Stranggusstechnologie hergestellte Bimetallmaterial aus Aluminiumlegierung A356-6101 kann die Vorteile beider vereinen.

Wang G et al. untersuchte den Einfluss von Druck auf die Mikrostruktur und die mechanischen Eigenschaften von bimetallischen A356-6101-Druckgussmaterialien. Es wurde festgestellt, dass die Zugfestigkeit der A356-Aluminiumlegierungsmatrix mit zunehmendem Druck zunahm, wohingegen die Zugfestigkeit des Bimetalls unabhängig vom ausgeübten Druck war. LIU G et al. fanden heraus, dass im Pressguss-Bimetall A356/6101 nach der Wärmebehandlung die Matrix und die Übergangszone der A356-Aluminiumlegierung ein offensichtliches Härtungsphänomen aufweisen und die Sphäroidisierung von Siliziumpartikeln in der Legierung offensichtlich ist. Darüber hinaus wird die Interdiffusion gelöster Stoffe zwischen den beiden Matrizen beschleunigt und die Grenzflächenscherfestigkeit steigt von 76,7 MPa auf 102,7 MPa.



3 Fazit



Durch Pressguss aus einer Aluminiumlegierung lassen sich komplexe dünnwandige Gussteile bilden. Die Teile weisen eine dichte Struktur, eine hohe Oberflächenqualität und gute mechanische Eigenschaften auf und bieten breite Anwendungsaussichten im Bereich der Vorbereitung von Automobilteilen. Die Entwicklung der Al-Si-Legierungs-Quetschgusstechnologie kann unter folgenden Gesichtspunkten erfolgen:

(1) Die Zusammensetzung der Al-Si-Legierung muss weiter optimiert werden. Durch die entsprechende Zugabe von Cu- und Mg-Elementen kann die Festigkeit der Al-Si-Legierung erheblich verbessert werden. Durch den Zusatz von Seltenerdmetallen wie Ce, Sc und Ni kann die Legierungsstruktur deutlich verbessert werden. Daher wird erwartet, dass durch die Optimierung des Gehalts an Haupt- und Mikrolegierungselementen in der Legierung eine hochfeste plastische Al-Si-Legierung im Pressgussverfahren entwickelt wird.

(2) Es ist notwendig, Impfmodifikatoren für Al-Si-Legierungen weiterzuentwickeln. Der Al-Ti-B-Kornfeiner hat einen erheblichen Einfluss auf die α-Al-Korngröße in der Al-Si-Legierung. Besonders wichtig ist die Entwicklung vielfältiger Refiner mit bemerkenswerter Wirkung, die kostengünstig und einfach herzustellen sind. Modifikatoren, die Sr, Sb und P enthalten, haben einen erheblichen Einfluss auf die Größe und Morphologie von primärem Si und eutektischem Si in Al-Si-Legierungen. Daher ist es von großer Bedeutung, effizientere Raffinationsmodifikatoren zu untersuchen, um die Eigenschaften von Al-Si-Legierungen zu verbessern. . Darüber hinaus ist auch der kombinierte Einsatz verschiedener Modifikatoren wichtig, um die Leistung von Al-Si-Legierungen zu verbessern.

(3) Metallmatrix-Verbundwerkstoffe sind Strukturwerkstoffe mit sehr breiten Entwicklungsperspektiven. Metallmatrix-Verbundwerkstoffe zeichnen sich durch eine hohe spezifische Festigkeit, gute Verschleißfestigkeit, ein geringes Teilegewicht und eine stabile Hochtemperaturfestigkeit aus. Die Squeeze-Casting-Technologie hat breite Anwendungsaussichten bei der Entwicklung von Hochleistungs-Metallmatrix-Verbundwerkstoffen.

Zitierformat: Xue Liwen, Zhou Wenqiang, Pu Yinan, et al. Forschungsfortschritte zur Zusammensetzungsoptimierung, Impfmodifikation und Verbundwerkstoffen von Al-Si-Legierungen im Squeeze-Casting [J]. Spezialguss und Nichteisenlegierungen, 2022, 42 (1): 22-31.