Abrangente! Progresso da pesquisa de ligas de Al-Si para fundição por compressão de alto desempenho

Palavras-chave: squeeze casting; Ligas de Al-Si; elementos de liga; modificação de inoculação; microestrutura e propriedades
A tecnologia de fundição por compressão pode preparar peças fundidas de liga de alumínio de paredes finas complexas, de alta resistência e tenacidade ou quase líquidas, que têm amplas perspectivas de aplicação nas áreas de fundição de automóveis e aeroespacial. As ligas Al-Si possuem boas propriedades de fundição, alta resistência específica, boa resistência ao desgaste, tratamento térmico e baixo custo. São as primeiras ligas de alumínio pesquisadas, mais desenvolvidas e mais amplamente utilizadas em ligas de alumínio fundido. Entre as ligas de Al-Si, a liga hipoeutética de Al-Si com teor de Si (fração de massa) de 2% a 12,6% pode garantir alta tenacidade plástica ao mesmo tempo em que possui alta resistência, enquanto a liga hipereutética de Al-Si com teor de Si superior a 12,6% possui alta resistência. A liga cristalina de Al-Si possui características de boa resistência à compressão, forte resistência ao desgaste e baixo coeficiente de expansão térmica. É um material ideal para a fabricação de pistões, blocos de cilindros, placas oscilantes e outras peças de automóveis. Visando ligas de Al-Si e seus materiais compósitos, este tópico resume os aspectos do projeto da composição da liga e do modificador de inoculação, o que pode fornecer uma referência para o desenvolvimento de ligas de Al-Si para fundição por compressão de alto desempenho.



1. Efeitos dos elementos de liga na microestrutura e nas propriedades das ligas de Al-Si fundidas por compressão



1.1 Elemento Si

Atualmente, as ligas de Al-Si para fundição por extrusão incluem principalmente: série hipoeutética Al- (4 ~ 8) Si (I), série Al- (9 ~ 13) Si (II) e série hipereutética Al- (14 ~ 22) Si (III). A Figura 1 resume as propriedades de tração das ligas de Al-Si. (a) Resistência à tração (b) Alongamento

Fig.1 Gráfico estatístico de resistência à tração e alongamento de ligas Al-Si

● Fundição por compressão, ▲ Fundição por compressão + tratamento térmico, ★ Fundição por compressão semi-sólida + tratamento térmico



Elementos de 1,2 Mg e Cu

Os elementos Mg e Cu têm efeitos óbvios na microestrutura e nas propriedades mecânicas das ligas Al-Si. Xu Song et al. descobriram que com o aumento do teor de Mg de 1% para 2%, a morfologia da fase eutética de silício na liga Al-10Si-2.5Cu-xMg fundida por extrusão mudou de listra para granulação fina. Quando o teor de Mg é de 1,5%, a resistência à tração da liga atinge o valor máximo (cerca de 290 MPa). Resultados semelhantes foram obtidos no estudo de JIANG B et al.: com o aumento do teor de Mg (0,2% ~ 2,6%), a morfologia do silício eutético na liga Al-10Si-2,5Cu-0,8Fe-xMg fundida por compressão mudou de semelhante a flocos. É fibroso e a fase contendo Fe muda do formato de bastonete para o formato de flocos finos e depois muda para o formato de bastonete; quando o teor de magnésio é de 1,38%, a resistência à tração da liga atinge o valor mais alto de 289 MPa.

LIU HJ et al. descobriram que quando o teor de Cu era de 2,25% e a razão de massa Cu / Mg era 4, a fase de fortalecimento na liga Al-10,7Si-2,25Cu-0,56Mg fundida por compressão tratada termicamente mudou de θ-Al2Cu para Mg2Si, θ-Al2Cu e Q-Al5Cu2Mg8Si6, a resistência à tração da liga aumenta para 426 MPa. LI R et al. descobriram que após a adição de elementos de Cu e Mg, a resistência à tração da liga Al-17Si-2Cu-0,4Mg-1,5Fe fundida por compressão era de 225 MPa, que era 72 MPa maior que a da liga Al-17Si fundida por compressão. MAENGD et al. Depois de adicionar Cu e Mg, a resistência à tração do Al-17.48Si-4.25Cu-0.6Mg fundido por compressão pode atingir 315 MPa. Portanto, a adição de quantidades adequadas de Cu e Mg pode melhorar significativamente as propriedades mecânicas da liga.

1.3 Elementos Ce, Sc e Ni

AOXH et al. explorou o efeito do elemento Ce no Si eutético e nas propriedades mecânicas da liga A380 fundida por compressão. Quando a pressão específica é de 100 MPa e o teor de Ce está na faixa de 0,1% ~ 0,5%, o efeito de modificação do Si eutético é óbvio: o comprimento médio do Si eutético diminui de 24,82 μm para 10,87 μm, e o aumento do número de fases Al8Cu4Ce aumenta a resistência à tração da liga. A resistência aumentou de 210 MPa para 254 MPa. KITTISAK et al. descobriram que quando o teor de Fe é inferior a 0,2% e o teor de Sc é 0,2%, uma pequena quantidade de compostos intermetálicos pequenos e redondos ricos em Sc pode ser formada na liga Al-7Si-0,3Mg-Fe, e o Si eutético torna-se fino, de modo que a dureza da liga, a resistência ao escoamento e a resistência à tração são melhoradas, mantendo um bom alongamento. Quando o teor de Sc é de 0,4%, o número de compostos intermetálicos ricos em Sc aumenta e o alongamento da liga diminui. Li et al. descobriram que à medida que o teor de Ni aumentava de 0 para 2,0%, a fração volumétrica de compostos intermetálicos contendo Ni na liga A380 fundida por compressão aumentava, e a resistência ao escoamento e a resistência à tração da liga aumentavam em 39% e 13%, respectivamente.

1.4 Tratamento de fusão e deterioração da inoculação

1.4.1 Processamento de fusão

Os métodos comuns de purificação por fusão incluem o método de fluxo, método de flotação e método de filtração. Além disso, os métodos comuns de tratamento de fusão incluem tratamento ultrassônico, tratamento de suspensão magnética a vácuo, tratamento de superaquecimento de fusão, tratamento de agitação eletromagnética e tratamento de pulso elétrico. Xia Feng et al. descobriram que o tratamento ultrassônico pode aumentar a temperatura de precipitação da fase cristalina primária e da fase eutética no fundido da liga Al-Si, resultando na fase α-Al na liga sendo fina e redonda, e a fase primária Si mudando de grosseira e morfologia irregular para menor e mais uniformemente distribuída. Zhang Liang et al. usou levitação magnética a vácuo para fundir a liga A356 e descobriu que, em comparação com a fundição convencional, a fase de silício eutético mudou de agulhas delgadas para flocos curtos, e a densidade da liga aumentou 1,14% e a estrutura ficou mais densa. Dang Bo et al. descobriram que quando a temperatura de superaquecimento é inferior a 960 ℃, à medida que a temperatura de superaquecimento aumenta, a fase primária de Si na liga hipereutética Al-25Si tende a crescer em faceta; quando a temperatura de superaquecimento é superior a 960 ℃, com o aumento da temperatura de superaquecimento, a tendência da fase primária de Si de crescer em faceta enfraquece. Miao Long usou agitação eletromagnética para preparar a liga Al-20Si e descobriu que à medida que a tensão de agitação aumentava, a segregação do silício primário na borda da amostra tornava-se mais óbvia. Zhang Guangan et al. aplicou tratamento de inoculação por pulso elétrico à liga Al-7Si-Mg e descobriu que a fase colunar α-Al tornou-se quase esférica e o efeito de refinamento do grão era muito óbvio.

Fig.2 Microestrutura da liga Al-20Si sob diferentes potências ultrassônicas

1.4.2 Refinador Al-Ti-B

O modificador de inoculante é amplamente utilizado em fundição por gravidade, fundição de liga de alumínio de alta pressão e outros campos. Entre eles, o refinador de grãos Al-Ti-B é o mais utilizado em ligas de alumínio. A liga Al-5Ti-B é eficaz para ligas de alumínio deformadas, mas não pode desempenhar um bom efeito de refino nas principais ligas de alumínio-silício fundido (Si≥5%). Este fenômeno é denominado "efeito de envenenamento por silício". O novo refinador de grãos Al-Ti-Nb-B desenvolvido com base no refinador tradicional Al-Ti-B forma partículas B2 (Ti, Nb) no fundido através do efeito sinérgico de Ti/Nb, que pode promover a fusão da liga nucleada e o efeito de refinamento do grão é óbvio. A fim de evitar o efeito de envenenamento por silício do Al-5Ti-B, DONG X et al. e ZHANG YH et al. desenvolveram refinadores Al-3Ti-3B e Al-3V-B e Al-3Ti-1B respectivamente, todos os quais fizeram o "efeito de envenenamento por silício" Melhoria significativa.

1.4.3 Modificador Al-P

O modificador de liga mestre tipo Al-P tem as características de efeito de modificação bom e estável, sem poluição, forte adsorção e baixo custo. Além disso, o uso de novos refinadores Al-P-Ti-TiC-Y e Al-P-Ti-TiC-Nd2O3 pode refinar o silício eutético para 20 μm.

1.4.4 Modificadores contendo Sr

Os modificadores contendo Sr têm as características de bom efeito metamórfico, longo período efetivo, reciclabilidade e pouca poluição. Os resultados da pesquisa de Wang Yong et al. mostram que quando o teor de Sr é de 0,06%, a morfologia do silício eutético na liga Al-7Si muda de um formato de agulha longa para um formato de agulha curta. JEYAKUMARJ et al. descobriram que o Sr não afeta o mecanismo de crescimento reentrante biplano do silício eutético, mas forma uma fase metamórfica Al2Si2Sr na fronteira entre o silício eutético e os grãos de alumínio durante a reação eutética. Pesquisas posteriores descobriram que os aglomerados de Al2Si2Sr formados no fundido aumentariam o grau de sub-resfriamento necessário para a nucleação do Si eutético e também afetariam o crescimento de gêmeos de Si eutético para modificar o Si eutético. As microestruturas das ligas não modificadas e modificadas com Sr são significativamente diferentes, como mostrado na Figura 5.
Fig.3 Diagrama esquemático do mecanismo de envenenamento por silício induzido pelo refinador Al-5Ti-B

(a) Tamanho médio de grão de α-Al em lingote de liga Al-10Si (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

Fig.4 Efeito do refino de grãos de diferentes tipos de refinadores de grãos na liga Al-10Si
(a1, a2, a3) não modificado (b1, b2, b3) Sr modificado

Fig.5 Microestruturas de ligas Al-12.7Si não modificadas e modificadas com Sr

(a1) e (b1) fases eutéticas (cinza para α-Al e cinza escuro para Si); (a2) e (b2) correspondem aos diagramas de espécies de fase EBSD de (a1) e (b1), respectivamente (α-Al é azul, Si em vermelho), (a3) ​​e (b3) diagramas de orientação de grãos EBSD com diagramas de pólos inversos em escala de cores mostrados no canto inferior esquerdo de (a3)

1.4.5 Metamorfismo composto

A adição de Sr como modificador em ligas de Al-Si altera a morfologia do Si eutético de placas ou agulhas grossas para fibras finas. No entanto, a adição de Sr pode levar à formação de uma fase α-Al dendrítica colunar longa (fase α-Al com tamanho longitudinal relativamente grande), portanto também é necessário adicionar outros elementos para alterar a fase α-Al dendrítica colunar longa. LIAO HC e outros estudos descobriram que na liga Al-13.0Si, quando o Al-5Ti-1B adicionado é superior a 0,82%, terá um efeito adverso na modificação do Sr. Posteriormente, a liga Al-5Ti-1B foi substituída por uma liga mestre Al-1B. Verificou-se que além do tamanho do silício eutético, o tamanho dos dendritos de α-Al na liga foi significativamente reduzido, e a liga após o tratamento compósito apresentou boas propriedades mecânicas. HAGHAYEGHI R et al. adicionou elementos Sr e Sb à liga hipereutética A390 (Al-17.4Si-5Cu) para refinar o cristal primário de silício. Verificou-se que Sb refina os cristais primários de Si geminando e aumentando a densidade de falhas de empilhamento, enquanto Sr refina o Si primário através da formação de torções, que juntas refinam o Si eutético. CHOY et al. adicionaram elementos P e Sr a ligas hipoeutéticas de Al-Si e descobriram que a fase Al2Si2Sr na liga cercaria a fase AlP na liga, resultando no envenenamento ou desativação das duas fases com Si eutético refinado. , resultando em silício eutético grosso em ligas de Al-Si com esses dois elementos adicionados ao mesmo tempo.

A Tabela 1 mostra as propriedades mecânicas de algumas ligas de Al-Si. Pode-se observar que os tipos e conteúdos dos elementos de liga têm uma influência importante na microestrutura e nas propriedades das ligas de Al-Si fundidas por compressão. A pesquisa sobre os tipos e conteúdos dos elementos principais e de microliga é importante para a preparação de ligas de Al-Si fundidas por compressão de alto desempenho. significado.

2 Fundição por compressão de compósitos de liga de Al-Si



Os compósitos com matriz metálica tornaram-se um importante material estrutural nas indústrias aeroespacial e automotiva. Em comparação com os materiais tradicionais, os compósitos de matriz metálica têm alta resistência específica, boa resistência ao desgaste, peso leve das peças e resistência estável a altas temperaturas. Entre os numerosos processos de processamento, o squeeze casting é um método eficaz para a fabricação de compósitos com matriz metálica de alto desempenho.

2.1 Compósitos inorgânicos não metálicos à base de Al-Si

Os materiais inorgânicos não metálicos comumente usados ​​para composição com ligas de alumínio são: carboneto de boro (B4C), óxido de alumínio (Al2O3), diamante e carboneto de silício (SiC). Dentre esses materiais, os compósitos com matriz de alumínio reforçado com carboneto de silício (SiC) apresentam melhores propriedades mecânicas e menores custos de fabricação. GURUSAMY P et al. estudaram o efeito da pressão de fundição por compressão na microestrutura e nas propriedades mecânicas de compósitos de matriz metálica Al / SiCp. Verificou-se que a uma pressão de fundição por compressão de 100 MPa, os compósitos contendo partículas de SiC apresentavam menor porosidade, aumentavam a resistência à tração em 300% e aumentavam a dureza em 51%. GURUSAMY P et al. e ARULRAJ M et al. descobriram que quando a temperatura de vazamento e a temperatura da matriz eram 850 °C e 350 °C, respectivamente, a distribuição de partículas no compósito Al/SiCp era mais uniforme e a resistência à tração atingiu o valor máximo (245 MPa). No entanto, a concentração de deformação próxima às partículas de SiC reduz a plasticidade do material.

MANUKS et al. compósitos de matriz de alumínio reforçados com micron SiO2 preparados por processo de squeeze casting. Como as partículas de SiO2 são distribuídas uniformemente na matriz, os compósitos de matriz de alumínio reforçados com mícrons de SiO2 apresentam melhores propriedades mecânicas e de resistência à corrosão. CHOUSN et al. estudaram as propriedades mecânicas de compósitos de liga de alumínio Al2O3/A356 fundidos por compressão. Verificou-se que quando o teor da liga A356 foi aumentado de 5% para 40%, a dureza (HV) dos compósitos diminuiu de 109 para 227, e a resistência à fratura diminuiu de 492,5 MPa para 457 MPa. KRISHNAN PK et al. usou sucata de liga de alumínio como matriz para substituir a liga Al-7Si-Mg e usou catalisador de alumina residual de resíduos de refinaria para substituir Al2O3 como material de reforço, o que reduziu bastante a resistência do material compósito sob a premissa de garantir que a resistência à tração não caísse significativamente. Custo de produção. JIANG L et al. também estudou as propriedades de interface de compósitos de diamante/alumínio de alta condutividade térmica por fundição por compressão. Os resultados mostram que o Al4C3 em forma de ripa cresce na interface diamante / liga de alumínio de acordo com um mecanismo de passo trapezoidal, e a interface da ponta Al4C3 em forma de ripa é uma interface rugosa, que migra em modo de crescimento contínuo.

2.2 Compósitos bimetálicos alumínio-alumínio

Os compósitos bimetálicos de alumínio-alumínio têm vantagens exclusivas para atender às necessidades de produção eficiente e de alto desempenho de áreas como automotiva e aeroespacial. Entre eles, a liga de alumínio 6101 possui alta resistência, excelente condutividade térmica e condutividade elétrica; enquanto a liga de alumínio A356 possui boas características de fundição, alta resistência à tração e desempenho à fadiga. O material bimetálico de liga de alumínio A356-6101 preparado pela tecnologia de fundição por extrusão composta pode combinar as vantagens de ambos.

Wang G et al. estudaram o efeito da pressão na influência dos materiais bimetálicos A356-6101 de fundição por compressão na microestrutura e nas propriedades mecânicas. Verificou-se que a resistência à tração da matriz da liga de alumínio A356 aumentou com o aumento da pressão, enquanto a resistência à tração do bimetal foi independente da pressão aplicada. LIUG et al. descobriram que no bimetal A356/6101 fundido por compressão após tratamento térmico, a matriz e a zona de transição da liga de alumínio A356 têm um fenômeno de endurecimento óbvio, e a esferoidização das partículas de silício na liga é óbvia. Além disso, a interdifusão de solutos entre as duas matrizes é acelerada e a resistência ao cisalhamento interfacial aumenta de 76,7 MPa para 102,7 MPa.



3 Conclusão



A liga de alumínio fundida por compressão pode formar fundições complexas de paredes finas, e as peças têm estrutura densa, alta qualidade de superfície e boas propriedades mecânicas, e têm amplas perspectivas de aplicação no campo de preparação de peças automotivas. O desenvolvimento da tecnologia de fundição por compressão de liga Al-Si pode ser realizado a partir dos seguintes aspectos:

(1) A composição da liga Al-Si precisa ser otimizada ainda mais. A adição apropriada de elementos Cu e Mg pode melhorar muito a resistência da liga Al-Si; a adição de metais de terras raras como Ce, Sc e Ni pode melhorar significativamente a estrutura da liga. Portanto, ao otimizar o conteúdo dos elementos principais e de microliga na liga, espera-se desenvolver uma liga de Al-Si fundida por compressão de plástico de alta resistência.

(2) É necessário desenvolver ainda mais modificadores de inoculação de ligas de Al-Si. O refinador de grãos Al-Ti-B tem um efeito significativo no tamanho do grão α-Al na liga Al-Si. É particularmente importante desenvolver uma variedade de refinadores com efeitos notáveis, que sejam baratos e fáceis de fabricar. Modificadores contendo Sr, Sb e P têm um efeito significativo no tamanho e na morfologia do Si primário e do Si eutético em ligas de Al-Si. Portanto, é de grande importância estudar modificadores de refino mais eficientes para melhorar as propriedades das ligas Al-Si. . Além disso, o uso composto de vários modificadores também é importante para melhorar o desempenho das ligas Al-Si.

(3) Os compósitos com matriz metálica são materiais estruturais com perspectivas de desenvolvimento muito amplas. Os compósitos de matriz metálica têm alta resistência específica, boa resistência ao desgaste, peso leve das peças e resistência estável a altas temperaturas. A tecnologia de fundição por compressão tem amplas perspectivas de aplicação no desenvolvimento de compósitos com matriz metálica de alto desempenho.

Formato de citação: Xue Liwen, Zhou Wenqiang, Pu Yinan, et al. Progresso da pesquisa sobre otimização de composição, modificação de inoculação e materiais compósitos de ligas de Al-Si em fundição por compressão [J]. Fundição Especial e Ligas Não Ferrosas, 2022, 42 (1): 22-31.