¡Integral! Progreso de la investigación de aleaciones de Al-Si para fundición por compresión de alto rendimiento

Palabras clave: squeeze casting; aleaciones Al-Si; elementos de aleación; modificación de la inoculación; microestructura y propiedades
La tecnología de fundición por compresión puede preparar piezas fundidas de aleación de aluminio de paredes delgadas, complejas, de alta resistencia y tenacidad, con forma neta o casi neta, lo que tiene amplias perspectivas de aplicación en los campos de la fundición de automóviles y el sector aeroespacial. Las aleaciones de Al-Si tienen buenas propiedades de fundición, alta resistencia específica, buena resistencia al desgaste, tratamiento térmico y bajo costo. Son las aleaciones de aluminio más investigadas, más desarrolladas y más utilizadas en aleaciones de aluminio fundido. Entre las aleaciones de Al-Si, la aleación hipoeutéctica de Al-Si con un contenido de Si (fracción de masa) del 2% al 12,6% puede garantizar una alta tenacidad plástica y al mismo tiempo tiene una alta resistencia, mientras que la aleación hipereutéctica de Al-Si con un contenido de Si superior al 12,6% tiene una alta resistencia. La aleación cristalina de Al-Si tiene las características de buena resistencia a la compresión, fuerte resistencia al desgaste y bajo coeficiente de expansión térmica. Es un material ideal para la fabricación de pistones, bloques de cilindros, platos oscilantes y otras piezas de automóviles. Con el objetivo de aleaciones de Al-Si y sus materiales compuestos, este tema resume los aspectos del diseño de la composición de la aleación y el modificador de inoculación, que pueden proporcionar una referencia para el desarrollo de aleaciones de Al-Si de fundición por compresión de alto rendimiento.



1. Efectos de los elementos de aleación sobre la microestructura y propiedades de las aleaciones Al-Si fundidas por compresión.



1.1 elemento Si

En la actualidad, las aleaciones de Al-Si para fundición por extrusión incluyen principalmente: series hipoeutécticas de Al-(4~8)Si (I), series de Al-(9~13)Si (II) y series hipereutécticas de Al-(14~ 22)Si (III). La Figura 1 resume las propiedades de tracción de las aleaciones Al-Si. (a) Resistencia a la tracción (b) Alargamiento

Fig.1 Cuadro estadístico de resistencia a la tracción y alargamiento de aleaciones Al-Si

● Fundición exprimida, ▲ Fundición exprimida + tratamiento térmico, ★ Fundición exprimida semisólida + tratamiento térmico



1,2 elementos Mg y Cu

Los elementos de Mg y Cu tienen efectos obvios sobre la microestructura y las propiedades mecánicas de las aleaciones de Al-Si. Xu Song y otros. encontraron que con el aumento del contenido de Mg del 1% al 2%, la morfología de la fase de silicio eutéctico en la aleación Al-10Si-2.5Cu-xMg fundida por extrusión cambió de rayada a de grano fino. Cuando el contenido de Mg es del 1,5%, la resistencia a la tracción de la aleación alcanza el valor máximo (aproximadamente 290 MPa). Se obtuvieron resultados similares en el estudio de JIANG B et al.: con el aumento del contenido de Mg (0,2% ~ 2,6%), la morfología del silicio eutéctico en la aleación fundida por compresión Al-10Si-2.5Cu-0.8Fe-xMg cambió de forma de escamas. Es fibroso y la fase que contiene Fe cambia de forma de varilla a forma de escamas finas y luego cambia a forma de varilla; cuando el contenido de magnesio es del 1,38%, la resistencia a la tracción de la aleación alcanza el valor más alto de 289 MPa.

LIU HJ et al. encontró que cuando el contenido de Cu era 2,25% y la relación de masa Cu/Mg era 4, la fase de fortalecimiento en la aleación fundida por compresión Al-10.7Si-2.25Cu-0.56Mg tratada térmicamente cambió de θ-Al2Cu a Mg2Si, θ-Al2Cu y Q-Al5Cu2Mg8Si6, la resistencia a la tracción de la aleación aumenta a 426 MPa. LI R et al. Descubrió que después de agregar elementos de Cu y Mg, la resistencia a la tracción de la aleación Al-17Si-2Cu-0.4Mg-1.5Fe fundida por compresión era de 225 MPa, que era 72 MPa mayor que la de la aleación Al-17Si fundida por compresión. MAENG D et al. Después de agregar más Cu y Mg, la resistencia a la tracción del Al-17.48Si-4.25Cu-0.6Mg fundido por compresión puede alcanzar 315 MPa. Por tanto, añadir cantidades adecuadas de Cu y Mg puede mejorar significativamente las propiedades mecánicas de la aleación.

1.3 Elementos Ce, Sc y Ni

AO XH et al. exploró el efecto del elemento Ce sobre el Si eutéctico y las propiedades mecánicas de la aleación A380 fundida por compresión. Cuando la presión específica es de 100 MPa y el contenido de Ce está en el rango de 0,1% ~ 0,5%, el efecto de modificación del Si eutéctico es obvio: la longitud promedio del Si eutéctico disminuye de 24,82 μm a 10,87 μm, y el aumento del número de fases de Al8Cu4Ce aumenta la resistencia a la tracción de la aleación. La resistencia aumentó de 210 MPa a 254 MPa. KITTISAK y cols. descubrió que cuando el contenido de Fe es inferior al 0,2% y el contenido de Sc es del 0,2%, se puede formar una pequeña cantidad de compuestos intermetálicos pequeños y redondos ricos en Sc en la aleación Al-7Si-0,3Mg-Fe, y el Si eutéctico se vuelve fino, de modo que la dureza de la aleación, el límite elástico y la resistencia a la tracción mejoran mientras se mantiene un buen alargamiento. Cuando el contenido de Sc es del 0,4%, el número de compuestos intermetálicos ricos en Sc aumenta y el alargamiento de la aleación disminuye. Li y col. encontraron que a medida que el contenido de Ni aumentaba de 0 a 2,0 %, la fracción de volumen de compuestos intermetálicos que contienen Ni en la aleación A380 fundida por compresión aumentaba, y el límite elástico y la resistencia a la tracción de la aleación aumentaban en un 39 % y un 13 %, respectivamente.

1.4 Tratamiento de fusión y deterioro de la inoculación.

1.4.1 Procesamiento de fusión

Los métodos comunes de purificación de masa fundida incluyen el método de flujo, el método de flotación y el método de filtración. Además, los métodos comunes de tratamiento de fusión incluyen tratamiento ultrasónico, tratamiento de suspensión magnética al vacío, tratamiento de sobrecalentamiento de fusión, tratamiento de agitación electromagnética y tratamiento de pulso eléctrico. Xia Feng y cols. descubrieron que el tratamiento ultrasónico puede aumentar la temperatura de precipitación de la fase cristalina primaria y la fase eutéctica en la aleación fundida de Al-Si, lo que hace que la fase α-Al en la aleación sea fina y redonda, y que la fase primaria de Si cambie de morfología gruesa e irregular a más pequeña y distribuida más uniformemente. Zhang Liang et al. utilizó levitación magnética al vacío para fundir la aleación A356 y descubrió que, en comparación con la fundición convencional, la fase de silicio eutéctico cambió de agujas delgadas a escamas cortas, y la densidad de la aleación aumentó en un 1,14% y la estructura era más densa. Dang Bo et al. descubrió que cuando la temperatura de sobrecalentamiento es inferior a 960 ℃, a medida que aumenta la temperatura de sobrecalentamiento, la fase primaria de Si en la aleación hipereutéctica Al-25Si tiende a crecer en facetas; Cuando la temperatura de sobrecalentamiento es superior a 960 ℃, con el aumento de la temperatura de sobrecalentamiento, la tendencia de la fase primaria de Si a crecer en facetas se debilita. Miao Long utilizó agitación electromagnética para preparar la aleación Al-20Si y descubrió que a medida que aumentaba el voltaje de agitación, la segregación de silicio primario en el borde de la muestra se hacía más obvia. Zhang Guangan et al. Aplicamos un tratamiento de inoculación por pulso eléctrico a una aleación de Al-7Si-Mg y descubrimos que la fase columnar de α-Al adquirió una forma casi esférica y el efecto de refinamiento del grano fue muy obvio.

Fig.2 Microestructura de la aleación Al-20Si bajo diferente potencia ultrasónica

1.4.2 Refinador Al-Ti-B

El modificador de inoculante se usa ampliamente en la fundición por gravedad, la fundición de aleaciones de aluminio a alta presión y otros campos. Entre ellos, el refinador de granos Al-Ti-B es el más utilizado en aleaciones de aluminio. La aleación Al-5Ti-B es eficaz para aleaciones de aluminio deformadas, pero no puede tener un buen efecto de refinamiento en aleaciones de aluminio y silicio fundido convencionales (Si≥5%). Este fenómeno se denomina "efecto de envenenamiento por silicio". El nuevo refinador de granos Al-Ti-Nb-B desarrollado en base al refinador tradicional Al-Ti-B forma partículas B2 (Ti, Nb) en la masa fundida a través del efecto sinérgico de Ti/Nb, que puede promover la fusión de la aleación y los núcleos y el efecto de refinamiento del grano es obvio. Para evitar el efecto de envenenamiento por silicio del Al-5Ti-B, DONG X et al. y ZHANG YH et al. Desarrolló refinadores de Al-3Ti-3B y Al-3V-B y Al-3Ti-1B respectivamente, todos los cuales lograron una mejora significativa en el "efecto de envenenamiento por silicio".

1.4.3 Modificador Al-P

El modificador de aleación maestra tipo Al-P tiene las características de un efecto de modificación bueno y estable, sin contaminación, fuerte adsorción y bajo costo. Además, el uso de nuevos refinadores de Al-P-Ti-TiC-Y y Al-P-Ti-TiC-Nd2O3 puede refinar el silicio eutéctico a 20 μm.

1.4.4 Modificadores que contienen Sr

Los modificadores que contienen Sr tienen las características de buen efecto metamórfico, largo período de efectividad, reciclabilidad y poca contaminación. Los resultados de la investigación de Wang Yong et al. muestran que cuando el contenido de Sr es 0,06%, la morfología del silicio eutéctico en la aleación Al-7Si cambia de una forma de aguja larga a una forma de aguja corta. JEYAKUMAR J et al. descubrieron que Sr no afecta el mecanismo de crecimiento reentrante biplano del silicio eutéctico, pero forma una fase metamórfica Al2Si2Sr en el límite entre el silicio eutéctico y los granos de aluminio durante la reacción eutéctica. Investigaciones posteriores descubrieron que los grupos de Al2Si2Sr formados en la masa fundida aumentarían el grado de subenfriamiento requerido para la nucleación del Si eutéctico y también afectarían el crecimiento de los gemelos de Si eutéctico para modificar el Si eutéctico. Las microestructuras de las aleaciones no modificadas y modificadas con Sr son significativamente diferentes, como se muestra en la Figura 5.
Fig.3 Diagrama esquemático del mecanismo de envenenamiento por silicio inducido por el refinador Al-5Ti-B

(a) Tamaño de grano promedio de α-Al en lingote de aleación 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 Efecto de refinación de grano de diferentes tipos de refinadores de grano en aleación Al-10Si
(a1, a2, a3) sin modificar (b1, b2, b3) Sr modificado

Fig.5 Microestructuras de aleaciones de Al-12.7Si no modificadas y modificadas con Sr.

(a1) y (b1) fases eutécticas (gris para α-Al y gris oscuro para Si); (a2) y (b2) corresponden a los diagramas de especies de fase EBSD de (a1) y (b1), respectivamente (α-Al es azul, Si en rojo), (a3) ​​y (b3). Diagramas de orientación de grano EBSD con diagramas de polos inversos en escala de colores que se muestran en la esquina inferior izquierda de (a3).

1.4.5 Metamorfismo compuesto

La adición de Sr como modificador en aleaciones Al-Si cambia la morfología del Si eutéctico de placas o agujas gruesas a fibras finas. Sin embargo, la adición de Sr puede conducir a la formación de una fase α-Al dendrítica columnar larga (fase α-Al con un tamaño longitudinal relativamente grande), por lo que también es necesario agregar otros elementos para cambiar la fase α-Al dendrítica columnar larga. LIAO HC y otros estudios encontraron que en la aleación Al-13.0Si, cuando el Al-5Ti-1B agregado es superior al 0,82%, tendrá un efecto adverso en la modificación del Sr. Posteriormente, la aleación Al-5Ti-1B fue reemplazada por una aleación maestra de Al-1B. Se descubrió que, además del tamaño del silicio eutéctico, el tamaño de las dendritas de α-Al en la aleación se reducía significativamente y la aleación después del tratamiento compuesto tenía buenas propiedades mecánicas. HAGHAYEGHI R et al. Se agregaron elementos Sr y Sb a la aleación hipereutéctica A390 (Al-17.4Si-5Cu) para refinar el cristal de silicio primario. Se descubrió que Sb refina los cristales de Si primarios maclando y aumentando la densidad de fallas de apilamiento, mientras que Sr refina el Si primario mediante la formación de torceduras, que en conjunto refinan el Si eutéctico. CHO Y et al. agregaron elementos P y Sr a aleaciones hipoeutécticas de Al-Si y descubrieron que la fase Al2Si2Sr en la aleación rodearía la fase AlP en la aleación, lo que resultaría en el envenenamiento o desactivación de las dos fases con Si eutéctico refinado. , dando como resultado silicio eutéctico grueso en aleaciones de Al-Si con estos dos elementos añadidos al mismo tiempo.

La Tabla 1 muestra las propiedades mecánicas de algunas aleaciones Al-Si. Se puede observar que los tipos y contenidos de elementos de aleación tienen una influencia importante en la microestructura y propiedades de las aleaciones Al-Si fundidas por compresión. La investigación sobre los tipos y contenidos de elementos principales y microaleantes es importante para la preparación de aleaciones de Al-Si fundidas por compresión de alto rendimiento. significado.

2 Fundición por compresión de compuestos de aleación de Al-Si



Los compuestos de matriz metálica se han convertido en un material estructural importante en las industrias aeroespacial y automotriz. En comparación con los materiales tradicionales, los compuestos de matriz metálica tienen una alta resistencia específica, buena resistencia al desgaste, peso ligero de las piezas y resistencia estable a altas temperaturas. Entre los numerosos procesos de procesamiento, la fundición por compresión es un método eficaz para fabricar compuestos de matriz metálica de alto rendimiento.

2.1 Compuestos inorgánicos no metálicos a base de Al-Si

Los materiales inorgánicos no metálicos comúnmente utilizados para la composición con aleaciones de aluminio son: carburo de boro (B4C), óxido de aluminio (Al2O3), diamante y carburo de silicio (SiC). Entre estos materiales, los compuestos de matriz de aluminio reforzados con carburo de silicio (SiC) tienen mejores propiedades mecánicas y menores costos de fabricación. GURUSAMY P et al. estudiaron el efecto de la presión de fundición por compresión sobre la microestructura y las propiedades mecánicas de los compuestos de matriz metálica de Al/SiCp. Se descubrió que a una presión de fundición por compresión de 100 MPa, los compuestos que contenían partículas de SiC tenían una menor porosidad, una mayor resistencia a la tracción en un 300% y una mayor dureza en un 51%. GURUSAMY P et al. y ARULRAJ M et al. encontraron que cuando la temperatura de vertido y la temperatura del molde eran 850 °C y 350 °C, respectivamente, la distribución de partículas en el compuesto Al/SiCp era la más uniforme y la resistencia a la tracción alcanzaba el valor máximo (245 MPa). Sin embargo, la concentración de deformación cerca de las partículas de SiC reduce la plasticidad del material.

MANU KS et al. Compuestos de matriz de aluminio reforzados con SiO2 de micrones preparados mediante un proceso de fundición por compresión. Dado que las partículas de SiO2 están distribuidas uniformemente en la matriz, los compuestos de matriz de aluminio reforzados con SiO2 micrométricos tienen mejores propiedades mecánicas y de resistencia a la corrosión. CHOU SN et al. Estudiaron las propiedades mecánicas de compuestos de aleación de aluminio Al2O3/A356 moldeados por compresión. Se descubrió que cuando el contenido de la aleación A356 aumentaba del 5% al ​​40%, la dureza (HV) de los compuestos disminuía de 109 a 227 y la resistencia a la fractura disminuía de 492,5 MPa a 457 MPa. KRISHNAN PK et al. utilizó chatarra de aleación de aluminio como matriz para reemplazar la aleación Al-7Si-Mg, y utilizó catalizador de alúmina residual de desechos de refinería para reemplazar Al2O3 como material de refuerzo, lo que redujo en gran medida la resistencia del material compuesto bajo la premisa de garantizar que la resistencia a la tracción no disminuyera significativamente. Costo de producción. JIANG L et al. También estudió las propiedades de interfaz de compuestos de diamante/aluminio de alta conductividad térmica mediante fundición por compresión. Los resultados muestran que el Al4C3 en forma de listón crece en la interfaz de aleación de diamante/aluminio según un mecanismo de paso trapezoidal, y la interfaz de la punta de Al4C3 en forma de listón es una interfaz rugosa, que migra en un modo de crecimiento continuo.

2.2 Compuestos bimetálicos aluminio-aluminio

Los compuestos bimetálicos de aluminio-aluminio tienen ventajas únicas para satisfacer las necesidades de producción eficiente y de alto rendimiento de campos como el automotor y el aeroespacial. Entre ellos, la aleación de aluminio 6101 tiene alta resistencia y excelente conductividad térmica y eléctrica; mientras que la aleación de aluminio A356 tiene buenas características de fundición, alta resistencia a la tracción y rendimiento ante la fatiga. El material bimetálico de aleación de aluminio A356-6101 preparado mediante tecnología de fundición por extrusión compuesta puede combinar las ventajas de ambos.

Wang G et al. Estudió el efecto de la presión sobre la influencia de los materiales bimetálicos de fundición por compresión A356-6101 en la microestructura y las propiedades mecánicas. Se encontró que la resistencia a la tracción de la matriz de aleación de aluminio A356 aumentaba al aumentar la presión, mientras que la resistencia a la tracción del bimetal era independiente de la presión aplicada. LIU G et al. Se descubrió que en el bimetal A356/6101 moldeado por compresión después del tratamiento térmico, la matriz y la zona de transición de la aleación de aluminio A356 tienen un fenómeno de endurecimiento obvio, y la esferoidización de las partículas de silicio en la aleación es obvia. Además, se acelera la interdifusión de solutos entre las dos matrices y la resistencia al corte interfacial aumenta de 76,7 MPa a 102,7 MPa.



3 Conclusión



La aleación de aluminio fundida por compresión puede formar piezas fundidas complejas de paredes delgadas, y las piezas tienen una estructura densa, alta calidad superficial y buenas propiedades mecánicas, y tienen amplias perspectivas de aplicación en el campo de la preparación de piezas de automóviles. El desarrollo de la tecnología de fundición por compresión de aleaciones Al-Si se puede realizar desde los siguientes aspectos:

(1) Es necesario optimizar aún más la composición de la aleación Al-Si. La adición adecuada de elementos Cu y Mg puede mejorar en gran medida la resistencia de la aleación Al-Si; la adición de metales de tierras raras como Ce, Sc y Ni puede mejorar significativamente la estructura de la aleación. Por lo tanto, al optimizar el contenido de elementos principales y de microaleación en la aleación, se espera desarrollar una aleación plástica de Al-Si fundida por compresión de alta resistencia.

(2) Es necesario seguir desarrollando modificadores de inoculación de aleaciones Al-Si. El refinador de grano Al-Ti-B tiene un efecto significativo sobre el tamaño del grano α-Al en la aleación Al-Si. Es particularmente importante desarrollar una variedad de refinadores con efectos notables, que sean baratos y fáciles de fabricar. Los modificadores que contienen Sr, Sb y P tienen un efecto significativo sobre el tamaño y la morfología del Si primario y el Si eutéctico en aleaciones Al-Si. Por lo tanto, es de gran importancia estudiar modificadores de refinado más eficientes para mejorar las propiedades de las aleaciones Al-Si. . Además, el uso compuesto de varios modificadores también es importante para mejorar el rendimiento de las aleaciones Al-Si.

(3) Los composites de matriz metálica son materiales estructurales con perspectivas de desarrollo muy amplias. Los compuestos de matriz metálica tienen una alta resistencia específica, buena resistencia al desgaste, peso ligero de las piezas y resistencia estable a altas temperaturas. La tecnología de fundición por compresión tiene amplias perspectivas de aplicación en el desarrollo de compuestos de matriz metálica de alto rendimiento.

Formato de cita: Xue Liwen, Zhou Wenqiang, Pu Yinan y otros. Avances de la investigación sobre optimización de la composición, modificación de la inoculación y materiales compuestos de aleaciones Al-Si en fundición por compresión [J]. Fundición especial y aleaciones no ferrosas, 2022, 42 (1): 22-31.