铝硅合金性能研究

摘要：铝硅合金具有耐磨性好、耐蚀性好、体积稳定性高等特点，成为发动机活塞类零件更新换代的材料。因为活塞长期在高温的环境下工作，所以对活塞的强度有着非常高的要求。合金变形同热处理相互结合，不仅能提高铝硅合金的性能，而且可以优化共晶铝硅合金组织，进而提高活塞使用寿命，在铝硅合金的应用领域变得尤为重要。

关键词：铝硅合金；变形及热处理；等轴晶；机械性能

一、铝硅合金的基本性质

铝硅合金常用在工业生产中作为铸造铝合金使用。其具有良好的铸造性、优良的气密性、较好的流动性、热裂纹倾向性小、收缩率小的特点。合金经过热处理及变质处理后，会得到很好的力学和物理性能。其耐腐蚀性和机器可加工性能较好，因铝硅合金为共晶系合金，有着丰富的合金类型，在铸造铝合金的用途上较为广泛。而且铝硅合金材料还具有优良的导热性。

硅元素在铝硅合金中占主导作用，适量的加入硅元素是有益的，但是过量的硅元素会导致铝硅合金中出现类似针形的共晶硅组织，其中还伴有大块状的初晶硅，其形状为多角形，它对铝硅合金产生很大的影响，会使其塑性和强度降低，机械性能下降，当铝硅合金中加入适量的硅后可获得较高的组织流动性，较低的表面收缩率，改善和减少合金的热裂纹倾向。现代的工艺在保证其稳定性的前提下，大都采用变质处理，热处理或精密铸造等方法达到调节组织形态和分布的目的，进而得到优良的铝硅合金组织，提到其综合的机械加工性能。

二、铝硅合金的组织

铝硅合金组织包括共晶合金和过共晶合金，它们的组织上和在形态上存在差异，在显微镜下观察过共晶铝硅合金组织，大部分由针状的硅和初晶硅共同组成，但是从比例分布来看含硅元素较比铝元素要多，使得过铝硅合金的热膨胀系数变低，使合金具有良好的耐磨性。又因其含有与基体无共格界面，无塑性的初晶硅，它与基体不是很协调的存在，因此在形变过程中，受到横向或纵向拉伸时，引起脆性相断裂。极硬的质点初晶硅镶嵌在软的基体上，加工时使刀具磨损严重，降低零部件的切削加工性能，整块的初晶硅剥落使加工表面变得粗糙。而在显微镜下观察共晶铝硅合金组织，可以发现常态下的铝硅共晶合金，其组织由粗大针状的硅晶体和固溶体组成，因硅相为脆性相基体，被针片状基体割裂后，合金的强度和塑性大幅度的降低，需要经过变质处理后，使合金转变成对合金性能有利的硅相形态，该种方法也可通过热处理的工艺来实现。

三、铝硅合金的性能

在铸造合金中，铝硅类合金的结晶温度间隔最小，但是它的铸造性能是很突出的。

（一）良好的流动性

与其它钢铁材料相比，铝硅合金具有更好的流动性。在现代化的浇铸生产加工中，导热性低的氧化铝膜会始终覆盖在铝液的表面，起到减缓铝液向铸型的散热作用，又因为铝硅合金的枝晶不发达，结晶温度时间间隔小，在此前提下可以保证铝液在铸型中存在较长的流动时间，其良好的流动性可在凝固过程后的一段时间内，其铝液仍可以流动。所以铝硅合能铸出效果很好，很薄及形状复杂的铸件。

（二）冷裂倾向性

铝硅合金的固态合金的导热性良好，故铸造应力较小，不易产生冷裂，其线收缩率也比其他几类铝合金小。

（三）热裂倾向性

一般加工情况下铸件在凝固的过程中会形成气孔，这与铝合金本身的热裂倾向性大有很大的关系，因铝合金在固态和液态下可以溶解的氢含量不同，造成其铸造时易产生气孔。再者其热裂倾向小会使铝合金产生高的强度在其固相线的附近。为什么铝液中会出现氢，主要有两方面的来源，一方面在浇注时吸收了空气的水汽，另一方面在浇注及熔炼时，铝液接触型砂中的水分，起了反应产生了氢。

四、各类合金元素对铝硅合金性能的影响

（一）锰的影响

当铝硅合金中加锰元素，组织中的粗大针状β（Al9Fe2Si2）相会变为类似骨骼形态的铝硅铁锰相，缓解了合金中铁元素对合金组织的影响。同时锰元素的强化性对合金有一定的作用。加入的锰量不易过多，存在一定的比例关系，经验设定值为锰和铁的比例在0.7～0.8左右合金效果最佳。

（二）镁的影响

在铝硅合金中加入不同等量的元素时，产生最好的强化效果当属镁元素。过量的镁起不到强化作用，因为固溶处理后镁元素不能全部溶入α相中，造成粗大的硅化镁脆性相在合金中残留，使塑性下降，故镁含量控制在0.2%～0.45%范围。加入少量的镁在合金中，不仅可以提升合金的屈服强度，而且同时抗拉强度也得到了提升，这是因为加入镁元素后合金产生了失效强化，α相中形成大量弥散分布的GP区和过渡β/相导致。

（三）铜的影响

铝硅合金加入铜元素可提高其常温和高温性能。在AlSiMg合金中加入铜后，伴随持续铜量的增加，合金的延伸率会下降，促使合金的热强性和强度增加，同時进一步增加铜元素会使合金组织中的硅化镁相变为W相，合金组织中还将出现θ（铜化二铝）相。经过实验表明温度在250℃以下时W相的耐热性最好，当强化相量相同时 W相的强化效果最好。但是当铜量高到一定数值时，铸造性能会变坏其合金密度增大，热裂倾向增加。

（四）稀土元素的影响

加入稀土元素在铝硅合金中，可消除夹杂和细化晶粒、因稀土元素在25℃～400℃时的线膨胀系数仅为（6.7～7.9）×10-6/℃，所以加入稀土元素，可降低铝硅合金的线膨胀系数，合金的体积稳定性显著提高、耐热性、流动性和热强度减小，优化活塞间隙，增加了其气密性，因为稀土元素具有有变质调节作用，是一种长效变质剂。但含量高时使合金变脆，一般<0.5%。

（五）镍元素的影响

其能提高合金的耐热性， 但是镍在我国属于稀缺元素， 一般情况下不建议使用，相对于储备镍较多的国家，大部分的过共晶铝硅合金会加入一定数量的镍，加入量大约在0.5%～20%。为了改善合金性能，进一步细化组织，会在铝硅合金中加少量的Ti、Cr等其他合金元素。

五、铝硅合金性能的综述

铝硅合金由于其共晶体有较好的加工性、塑性，因此在生产中具有很好的铸造性能与机械性能。这两种性能相互间的兼顾，可以在铝硅合金的加工过程中完美的体现出来，因此铝硅合金系材料是目前工业中应用最广泛的铸铝合金系。

参考文献：

[1]陆树荪，顾开道，等.有色铸造合金及熔炼[M].北京：国防工业出版社，1983：3839.

作者简介：刘洋（1983），男，汉族，辽宁沈阳人，本科，助理工程师，研究方向：铝硅合金性能研究。