Всесторонний! Прогресс исследований высокопроизводительных сплавов Al-Si для литья под давлением

Ключевые слова: литье под давлением; сплавы Al-Si; легирующие элементы; модификация прививки; микроструктура и свойства
Технология литья под давлением позволяет получать отливки из тонкостенных алюминиевых сплавов сложной, высокой прочности и вязкости сетчатой ​​формы или близкой к сетчатой ​​форме, которые имеют широкие перспективы применения в области автомобильного литья и аэрокосмической промышленности. Сплавы Al-Si обладают хорошими литейными свойствами, высокой удельной прочностью, хорошей износостойкостью, термообработкой и низкой стоимостью. Это самые ранние исследованные, наиболее разработанные и наиболее широко используемые алюминиевые сплавы для литья алюминиевых сплавов. Среди сплавов Al-Si доэвтектический сплав Al-Si с содержанием Si (массовая доля) от 2% до 12,6 % может обеспечить высокую пластическую вязкость, обладая при этом высокой прочностью, тогда как заэвтектический сплав Al-Si с содержанием Si более 12,6 % обладает высокая прочность. Кристаллический сплав Al-Si обладает характеристиками хорошей стойкости к сжатию, высокой износостойкости и низкого коэффициента теплового расширения. Это идеальный материал для изготовления автомобильных поршней, блоков цилиндров, автоматов перекоса и других деталей. В этой теме, посвященной сплавам Al-Si и их композиционным материалам, обобщаются аспекты проектирования состава сплава и модификатора присадки, которые могут послужить основой для разработки высокопроизводительных сплавов Al-Si для литья под давлением.



1. Влияние легирующих элементов на микроструктуру и свойства сплавов Al-Si, литых под давлением.



1.1 Элемент Si

В настоящее время сплавы Al-Si для экструзионного литья в основном включают: доэвтектические серии Al-(4~8)Si(I), серии Al-(9~13)Si(II) и заэвтектические Al-(14~22)Si. серия (III). На рисунке 1 обобщены свойства сплавов Al-Si при растяжении. (а) Предел прочности (б) Удлинение

Рис.1 Статистическая диаграмма прочности на разрыв и удлинения сплавов Al-Si

● Литье под давлением, ▲Литье под давлением + термообработка, ★Полутвердое литье под давлением + термообработка



1.2 Элементы Mg и Cu

Элементы Mg и Cu оказывают очевидное влияние на микроструктуру и механические свойства сплавов Al-Si. Сюй Сун и др. обнаружили, что с увеличением содержания Mg от 1 % до 2 % морфология эвтектической фазы кремния в экструзионно-литом сплаве Al-10Si-2,5Cu-xMg изменилась с полосковой на мелкозернистую. При содержании Mg 1,5 % предел прочности сплава достигает максимального значения (около 290 МПа). Аналогичные результаты были получены в исследовании JIANG B и др.: с увеличением содержания Mg (0,2%~2,6%) морфология эвтектического кремния в литом под давлением сплаве Al-10Si-2,5Cu-0,8Fe-xMg менялась от хлопьевидный. Он волокнистый, и железосодержащая фаза меняет форму со стержня на форму мелких чешуек, а затем переходит на форму стержня; при содержании магния 1,38% предел прочности сплава достигает наивысшего значения 289 МПа.

LIU HJ и др. обнаружили, что когда содержание Cu составляло 2,25% и массовое соотношение Cu/Mg составляло 4, фаза упрочнения в термообработанном сплаве Al-10,7Si-2,25Cu-0,56Mg, подвергнутом термообработке, изменялась с θ-Al2Cu на Mg2Si, θ -Al2Cu и Q-Al5Cu2Mg8Si6 предел прочности сплава увеличивается до 426 МПа. Л.И.Р. и соавт. обнаружили, что после добавления элементов Cu и Mg предел прочности литого под давлением сплава Al-17Si-2Cu-0,4Mg-1,5Fe составил 225 МПа, что на 72 МПа выше, чем у литого под давлением сплава Al-17Si. МАЕНГ Д и др. После дальнейшего добавления Cu и Mg предел прочности литого под давлением Al-17,48Si-4,25Cu-0,6Mg может достигать 315 МПа. Следовательно, добавление соответствующих количеств Cu и Mg может значительно улучшить механические свойства сплава.

1.3 Элементы Ce, Sc и Ni

АО XH и др. исследовали влияние элемента Ce на эвтектический кремний и механические свойства сплава A380, отлитого под давлением. При удельном давлении 100 МПа и содержании Ce в диапазоне 0,1–0,5 % эффект модификации эвтектического Si очевиден: средняя длина эвтектического Si уменьшается с 24,82 мкм до 10,87 мкм, увеличивается Количество фаз Al8Cu4Ce обеспечивает прочность сплава на разрыв. Прочность увеличена с 210 МПа до 254 МПа. КИТТИСАК и др. обнаружили, что при содержании Fe ниже 0,2% и Sc 0,2% в сплаве Al-7Si-0,3Mg-Fe может образовываться небольшое количество мелких и круглых интерметаллидов, богатых скандием, и эвтектического кремния Si. становится тонким, так что твердость сплава, предел текучести и прочность на растяжение улучшаются при сохранении хорошего удлинения. При содержании Sc 0,4 % количество интерметаллидов, богатых скандием, увеличивается и удлинение сплава уменьшается. Ли и др. обнаружили, что при увеличении содержания Ni от 0 до 2,0 % объемная доля Ni-содержащих интерметаллидов в сплаве А380, литом под давлением, увеличивается, а предел текучести и предел прочности сплава увеличиваются на 39 % и 13 % соответственно.

1.4 Обработка расплавом и ухудшение качества модифицирования

1.4.1 Обработка расплава

Обычные методы очистки расплава включают флюсовый метод, метод флотации и метод фильтрации. Кроме того, обычные методы обработки расплава включают ультразвуковую обработку, обработку вакуумной магнитной суспензией, обработку перегревом расплава, обработку электромагнитным перемешиванием и обработку электрическими импульсами. Ся Фэн и др. обнаружили, что ультразвуковая обработка может повысить температуру выделения первичной кристаллической фазы и эвтектической фазы в расплаве сплава Al-Si, в результате чего фаза α-Al в сплаве становится мелкой и круглой, а первичная фаза Si меняется с грубой и нерегулярной. морфология становится меньше и более равномерно распределена. Чжан Лян и др. применил вакуумную магнитную левитацию для выплавки сплава А356 и обнаружил, что по сравнению с обычной выплавкой фаза эвтектического кремния изменилась с тонких иголок на короткие чешуйки, а плотность сплава увеличилась на 1,14%, а структура стала более плотной. Данг Бо и др. обнаружили, что когда температура перегрева ниже 960 ℃, по мере увеличения температуры перегрева первичная фаза Si в заэвтектическом сплаве Al-25Si имеет тенденцию к росту в гранях; когда температура перегрева превышает 960 ℃, с увеличением температуры перегрева тенденция первичной фазы Si к росту граней ослабевает. Мяо Лонг использовал электромагнитное перемешивание для приготовления сплава Al-20Si и обнаружил, что с увеличением напряжения перемешивания сегрегация первичного кремния на краю образца становилась более очевидной. Чжан Гуанган и др. применил электроимпульсную модификацию сплава Al-7Si-Mg и обнаружил, что столбчатая фаза α-Al приобрела почти сферическую форму, а эффект измельчения зерна был очень очевиден.

Рис.2 Микроструктура сплава Al-20Si при различной мощности ультразвука

1.4.2 Рафинер Al-Ti-B

Модификатор-модификатор широко используется в гравитационном литье, литье алюминиевых сплавов под высоким давлением и в других областях. Среди них измельчитель зерна Al-Ti-B наиболее широко используется в алюминиевых сплавах. Сплав Al-5Ti-B эффективен для деформированных алюминиевых сплавов, но не может оказать хорошего рафинирующего эффекта на основные литые алюминиево-кремниевые сплавы (Si≥5%). Это явление называется «эффектом отравления кремнием». Новый измельчитель зерна Al-Ti-Nb-B, разработанный на основе традиционного измельчителя Al-Ti-B, образует в расплаве частицы B2 (Ti, Nb) за счет синергетического эффекта Ti/Nb, который может способствовать зародышеобразованию в расплаве сплава и эффект измельчения зерна очевиден. Чтобы избежать эффекта отравления кремнием Al-5Ti-B, DONG X et al. и ЧЖАН Ю.Х. и др. разработали рафинеры Al-3Ti-3B, Al-3V-B и Al-3Ti-1B соответственно, все из которых значительно улучшили «эффект отравления кремнием».

1.4.3 Модификатор Al-P

Модификатор лигатуры типа Al-P обладает характеристиками хорошего и стабильного эффекта модификации, отсутствия загрязнения, сильной адсорбции и низкой стоимости. Кроме того, использование новых рафинеров Al-P-Ti-TiC-Y и Al-P-Ti-TiC-Nd2O3 позволяет измельчить эвтектический кремний до 20 мкм.

1.4.4 Модификаторы, содержащие Sr

Модификаторы, содержащие Sr, обладают хорошим метаморфическим эффектом, длительным периодом действия, возможностью вторичной переработки и небольшим загрязнением. Результаты исследования Wang Yong et al. показывают, что при содержании Sr 0,06% морфология эвтектического кремния в сплаве Al-7Si меняется от длинной игольчатой ​​формы к короткой игольной форме. ДЖЕЙКУМАР Дж. и др. обнаружили, что Sr не влияет на биплановый возвратный механизм роста эвтектического кремния, но образует метаморфическую фазу Al2Si2Sr на границе между зернами эвтектического кремния и алюминия во время эвтектической реакции. Дальнейшие исследования позже показали, что кластеры Al2Si2Sr, образующиеся в расплаве, увеличивают степень переохлаждения, необходимую для зарождения эвтектического кремния, а также влияют на рост эвтектических двойников кремния для модификации эвтектического кремния. Микроструктуры немодифицированных и модифицированных Sr сплавов существенно различаются, как показано на рисунке 5.
Рис.3 Принципиальная схема механизма отравления кремния рафинером Al-5Ti-B.

(а) Средний размер зерна α-Al в слитке сплава Al-10Si (б) Al-0,5Ti-2,0Nb-0,3B (в) Al-1,2Ti-2,9Nb-0,5B (г) Al-3B (д) ) Ал-2,08Нб-0,23Б

Рис.4. Эффект измельчения зерна различными типами измельчителей зерна на сплаве Al-10Si.
(a1, a2, a3) немодифицированный (b1, b2, b3) Sr модифицированный

Рис.5 Микроструктуры немодифицированных и Sr-модифицированных сплавов Al-12,7Si

а1, б1 – эвтектические фазы (серые для α-Al и темно-серые для Si); (a2) и (b2) соответствуют фазовым диаграммам EBSD (a1) и (b1) соответственно (α-Al — синий, Si — красный), (a3) ​​и (b3) диаграммы ориентации зерен EBSD с цветным изображением. масштабированные диаграммы обратных полюсов, показанные в левом нижнем углу (a3)

1.4.5 Сложный метаморфизм

Добавление Sr в качестве модификатора в сплавы Al-Si изменяет морфологию эвтектического кремния от грубых пластин или иголок до тонких волокон. Однако добавление Sr может привести к образованию длинной столбчатой ​​дендритной фазы α-Al (фаза α-Al с относительно большим продольным размером), поэтому необходимо также добавлять другие элементы для изменения длинной столбчатой ​​дендритной фазы α-Al. фаза. LIAO HC и другие исследования показали, что в сплаве Al-13.0Si добавление Al-5Ti-1B выше 0,82% оказывает отрицательное влияние на модификацию Sr. Впоследствии сплав Al-5Ti-1B был заменен лигатурой Ал-1Б. Установлено, что помимо размера эвтектического кремния в сплаве значительно уменьшаются размеры дендритов α-Al, а сплав после обработки композитом имеет хорошие механические свойства. ХАГАЕГИ Р. и др. добавили элементы Sr и Sb в заэвтектический сплав А390 (Al-17,4Si-5Cu) для измельчения первичного кристалла кремния. Установлено, что Sb измельчает первичные кристаллы Si за счет двойникования и увеличения плотности дефектов упаковки, а Sr измельчает первичный Si за счет образования изломов, которые вместе измельчают эвтектический Si. ЧО Й и др. добавили элементы P и Sr в доэвтектические сплавы Al-Si и обнаружили, что фаза Al2Si2Sr в сплаве окружает фазу AlP в сплаве, что приводит к отравлению или дезактивации двух фаз очищенным эвтектическим кремнием. , что приводит к образованию крупнозернистого эвтектического кремния в сплавах Al-Si с одновременным добавлением этих двух элементов.

В таблице 1 показаны механические свойства некоторых сплавов Al-Si. Видно, что типы и содержание легирующих элементов оказывают важное влияние на микроструктуру и свойства сплавов Al-Si, литых под давлением. Исследование типов и содержания основных и микролегирующих элементов важно для получения высокопроизводительных сплавов Al-Si, литых под давлением. значение.

2 Литье под давлением композитов из сплава Al-Si



Композиты с металлической матрицей стали важным конструкционным материалом в аэрокосмической и автомобильной промышленности. По сравнению с традиционными материалами металломатричные композиты обладают высокой удельной прочностью, хорошей износостойкостью, малым весом деталей и стабильной жаропрочностью. Среди многочисленных процессов обработки литье под давлением является эффективным методом производства высокоэффективных композитов с металлической матрицей.

2.1 Неорганические неметаллические композиты на основе Al-Si

Неорганическими неметаллическими материалами, обычно используемыми для компаундирования алюминиевых сплавов, являются: карбид бора (B4C), оксид алюминия (Al2O3), алмаз и карбид кремния (SiC). Среди этих материалов композиты с алюминиевой матрицей, армированные карбидом кремния (SiC), имеют лучшие механические свойства и более низкие производственные затраты. ГУРУСАМИ П и др. изучили влияние давления литья под давлением на микроструктуру и механические свойства металломатричных композитов Al/SiCp. Установлено, что при давлении литья под давлением 100 МПа композиты, содержащие частицы SiC, имеют меньшую пористость, повышенную прочность на разрыв на 300 % и повышенную твердость на 51 %. ГУРУСАМИ П и др. и АРУЛРАЖ М. и др. обнаружили, что при температуре заливки и температуре матрицы 850 °С и 350 °С соответственно распределение частиц в композите Al/SiCp было наиболее равномерным, а предел прочности достигал максимального значения (245 МПа). Однако концентрация деформаций вблизи частиц SiC снижает пластичность материала.

МАНУ КС и др. приготовлены композиты с алюминиевой матрицей, армированные микронным SiO2, методом литья под давлением. Поскольку частицы SiO2 равномерно распределены в матрице, микронные композиты с алюминиевой матрицей, армированные SiO2, обладают лучшими механическими и коррозионными свойствами. ЧОУ С.Н. и др. исследовали механические свойства литых под давлением композитов из алюминиевого сплава Al2O3/A356. Установлено, что при увеличении содержания сплава А356 с 5% до 40% твердость (HV) композитов снижается со 109 до 227, а прочность на разрушение снижается с 492,5 МПа до 457 МПа. КРИШНАН ПК и др. использовали лом алюминиевого сплава в качестве матрицы для замены сплава Al-7Si-Mg и использовали отработанный глиноземный катализатор из отходов нефтеперерабатывающего завода для замены Al2O3 в качестве армирующего материала, что значительно снизило прочность композитного материала при условии, что прочность на разрыв не упадет значительно . Стоимость производства. Цзян Л и др. также изучили интерфейсные свойства алмазно-алюминиевых композитов с высокой теплопроводностью методом литья под давлением. Результаты показывают, что решетчатый Al4C3 растет на границе раздела алмаз/алюминиевый сплав по трапециевидному ступенчатому механизму, а реечный интерфейс Al4C3 на кончике представляет собой шероховатый интерфейс, который мигрирует в режиме непрерывного роста.

2.2 Биметаллические композиты алюминий-алюминий

Алюмо-алюминиевые биметаллические композиты обладают уникальными преимуществами в удовлетворении высокопроизводительных и эффективных производственных потребностей в таких областях, как автомобилестроение и аэрокосмическая промышленность. Среди них алюминиевый сплав 6101 обладает высокой прочностью, отличной теплопроводностью и электропроводностью; в то время как алюминиевый сплав A356 имеет хорошие литейные характеристики, высокую прочность на разрыв и усталостные характеристики. Биметаллический материал из алюминиевого сплава A356-6101, изготовленный с помощью технологии композитного экструзионного литья, может сочетать в себе преимущества обоих.

Ван Г и др. Изучено влияние давления при литье под давлением биметаллических материалов А356-6101, влияние на микроструктуру и механические свойства. Установлено, что прочность матрицы алюминиевого сплава А356 увеличивается с ростом давления, тогда как прочность биметалла не зависит от приложенного давления. ЛИУ Г и др. обнаружили, что в отлитом под давлением биметалле A356/6101 после термообработки матрица и переходная зона алюминиевого сплава A356 имеют явное явление упрочнения, а сфероидизация частиц кремния в сплаве очевидна. Кроме того, ускоряется взаимная диффузия растворенных веществ между двумя матрицами, а межфазная прочность на сдвиг увеличивается с 76,7 МПа до 102,7 МПа.



3 Заключение



Алюминиевый сплав для литья под давлением позволяет формировать сложные тонкостенные отливки, детали имеют плотную структуру, высокое качество поверхности и хорошие механические свойства и имеют широкие перспективы применения в области подготовки автомобильных деталей. Разработка технологии литья под давлением сплавов Al-Si может осуществляться по следующим направлениям:

(1) Состав сплава Al-Si нуждается в дальнейшей оптимизации. Соответствующее добавление элементов Cu и Mg может значительно улучшить прочность сплава Al-Si; добавление редкоземельных металлов, таких как Ce, Sc и Ni, может значительно улучшить структуру сплава. Поэтому за счет оптимизации содержания основных и микролегирующих элементов в сплаве предполагается разработать высокопрочный пластичный сплав Al-Si, отлитый под давлением.

(2) Необходимо продолжить разработку модификаторов прививки сплава Al-Si. Измельчитель зерна Al-Ti-B оказывает значительное влияние на размер зерна α-Al в сплаве Al-Si. Особенно важно разработать разнообразные рафинеры с замечательными эффектами, дешевые и простые в производстве. Модификаторы, содержащие Sr, Sb и P, оказывают существенное влияние на размер и морфологию первичного Si и эвтектического Si в сплавах Al-Si. Поэтому большое значение имеет изучение более эффективных рафинирующих модификаторов для улучшения свойств сплавов Al-Si. . Кроме того, для улучшения характеристик сплавов Al-Si важно также совместное использование различных модификаторов.

(3) Металломатричные композиты являются конструкционными материалами с очень широкими перспективами развития. Металломатричные композиты обладают высокой удельной прочностью, хорошей износостойкостью, малым весом деталей и стабильной жаропрочностью. Технология литья под давлением имеет широкие перспективы применения при разработке высокоэффективных металломатричных композитов.

Формат цитирования: Сюэ Ливэнь, Чжоу Вэньцян, Пу Инань и др. Ход исследований по оптимизации состава, модификации модификаций и композиционных материалов из сплавов Al-Si при литье под давлением [J]. Специальное литье и цветные сплавы, 2022, 42 (1): 22-31.