压铸铝合金的应用及研究进展

压铸铝合金具有比强度高、 良好的耐蚀、 导电导 热及铸造和加工等性能， 被广泛应用于汽车、 通讯电 子和航空航天等领域中． 随着汽车等工业的发展， 铝 合金压铸件产量年增近１３％， 占有色合金压铸件产 量的７５％以上． 现铝合金压铸件正向着大型、 复杂、 薄壁和高精度、 集成化方向发展， 这积极推动了铝合 金压铸技术的发展． 为此， 本文对国内外压铸铝合金 的应用及研究现状进行综合阐述， 为后续开发低成 本、 高性能压铸铝合金及先进的压铸技术提供参考， 促进我国铝合金压铸产业转型升级．

１ 压铸铝合金的特点及分类

压铸铝合金在保证顺利压铸及满足所制造零件 的工作性能要求外， 还应具备：（ １） 在过热度不高， 甚至处于固、 液相线温度范围内时， 应具有较好的塑 性体流变性能， 以便于填充复杂型腔， 保证良好的铸 件表面质量， 减少铸件内收缩孔洞；（ ２） 线收缩率小， 以免铸件产生裂纹和变形， 提高铸件尺寸精度；（ ３） 结晶温度范围小， 减少铸件中收缩孔洞产生的可能 性；（ ４） 具有一定的高温固态强度， 防止模具开模时 推出铸件产生变形或破裂；（ ５） 与压铸型不发生化学 反应， 亲和力小， 防止粘型和铸件、 铸型相互合金化； （ ６） 高温熔融状态下不易吸气、 氧化， 以便满足压铸 时需长期保温的要求．

按照合金成 分 来 分， 压 铸 铝 合 金 主 要 包 括 Ａｌ － Ｓｉ ， Ａｌ －Ｍｇ和 Ａｌ －Ｚｎ等系列． 共晶 Ａｌ －Ｓｉ合金具有结 晶温度间隔小， 硅相具有凝固潜热和比热容较大、 线 收缩系数较 小 等 特 点， 因 此 Ａｌ －Ｓｉ系 合 金 具 有 很 好 的铸造性能、 充型性能和更小的热裂和缩松倾向． 压 铸铝合金系中一般以 Ａｌ －Ｓｉ系合金为主， 包括 Ａｌ －Ｓｉ － Ｃｕ和 Ａｌ －Ｓｉ －Ｍｇ系， 如 ＡＤＣ１２和 ＡＤＣ１０合金等． 但 这类合金存在强度较低、 塑性较差和切削加工性能 一般等主要问题， 为此近年来国内外研究人员通过 （ 微） 合金化改善合金的组织， 获得低成本、 高韧性压 铸铝 合 金．Ａｌ －Ｍｇ 系 合 金 具 有 室 温 力 学 性 能 好、 耐 蚀性能强等特性， 但存在铸造性能较差、 力学性能波 动和壁厚效应较大及压铸件出现开裂和应力腐蚀裂 纹倾向较大 等 问 题．Ａｌ －Ｚｎ 系 合 金 压 铸 件 经 自 然 时 效后可获得较高力学性能， 但其耐蚀性能差、 应力腐 蚀倾向强及压铸易热裂等缺点． 表１ 为主要合金元 素在压铸铝合金中所起的作用。

２ 压铸铝合金的应用

压铸行业的发展与汽车行业密切 相 关， 近 年 来 随着我国汽车行业的迅猛发展， 压铸行业亦发展迅 速， 未来会有更好的发展前景． 当今社会， 人们对汽 车要求趋于高性能、 低污染、 低能耗等． 汽车重量对 燃料经济性起着决定性作用， 车重每降低１００ｋ ｇ， 油 耗可减少０．７Ｌ ／ １００ｋｍ． 汽车降低能耗的途径主要 有改进系统和减轻汽车重量， 而使用轻质材料制造 汽车零部件是减轻汽车重量的有效途径． 铝合金压 铸件因优异的材料性能、 成型方便和轻量化等， 使其 成为首选． 二十世纪７０年代开始， 铝合金压铸件逐 步替代铸铁， 用量逐年增加， 应用范围不断扩大． 铝 合金压铸件在汽车上的应用主要集中在壳体件、 发 动机部件和其它非发动机部件． 图１ 为目前国内外 汽车上使用的铝合金压铸件汇总及占比．

铝合金压铸件还在通讯电子设备的外壳生产上 占据举足轻重的地位， 如基站用滤波器腔体、 发射器 壳体、 笔记本和手机的外壳等． 特别是通讯基站类设 备正朝向高散热和高耐蚀性能及高薄方向发展， 促 进铝合金压铸技术朝向高精尖方向推进， 在满足散 热和防腐蚀性能的前提下， 通讯类铝合金壳体正逐 步走向轻量化.

３ 压铸铝合金组织与性能的研究现状

压铸铝合金自１９１４ 年投入 商 业 生 产 后 得 到 快 速发展． 随着汽车行业的发展， 对于力学性能要求高 的汽车用零件压铸件， 仅靠目前生产的压铸铝合金 难以满足需求． 为了提高其力学、 导热及疲劳等诸多 性能， 国内外研究人员致力于开发新型的低成本、 高 性能 压 铸 铝 合 金， 主 要 集 中 在 Ａｌ －Ｓｉ和 Ａｌ －Ｍｇ 两 系列

３．１ Ａｌ －Ｓｉ系压铸铝合金组织与性能的研究现状

目前， 我国压铸产业使用最多的铝合金为Ｆｅ含 量０．８％～１．３％的 Ａｌ －Ｓｉ －Ｃｕ系， 如 ＡＤＣ１２等， 但上 述合金最大问题是韧性不够， 室温伸长率通常不高 于２％， 且强度有待提高． 要使铝合金压铸件在汽车 上得到更多地应用， 必须提高铝合金的韧性． 不同种类和含量的稀土（ ＲＥ）， 对 Ａｌ －Ｓｉ合金的 细化变质效果不同． 添加０．１％～０．３％的混合稀土 能同时细化 Ａ３５６合金组织中的α－Ａｌ相和硅相， Ｃｅ能 细 化 Ａｌ －Ｓｉ合 金 组 织 中 的 共 晶 硅， 而 添 加 ３％的 Ｌａ 对 Ａ３９０ 合 金 组 织 中 的 硅 相 无 变 质 作 用． 添加１．０％的Ｓｍ 能明显细化 ＡＤＣ１２ 合金组 织中的α－Ａｌ和 共 晶 硅 相， α－Ａｌ相 二 次 枝 晶 间 距 由 ５１μｍ 减至１５μｍ， 平均晶胞尺寸由９０μｍ 减至４０ μｍ； 共晶硅由粗大针状变为尺寸较小的短棒状或圆 球状， 并且生成 Ａｌ １１Ｓｍ ３相， 使合金抗拉强度和伸长 率分别达到２２０ＭＰａ和３．１％， 较 ＡＤＣ１２合金分别 提高２２％和２１０％．

在 ＹＬ１１２ 合 金 基 础 上 开 发 的 Ａｌ －Ｓｉ －Ｃｕ －ＲＥ 合 金具有良好流动性、 耐磨性、 气密性和机加工性， 力 学性能明显优于同类 Ａｌ －Ｓｉ －Ｃｕ合金， 可用于汽车变 速箱、 发动机壳体、 气阀、 方向器、 活塞、 轮毂等．

在 ＡＤＣ１２合金 基 础 上 通 过 成 分 优 化 设 计， 以 及经晶粒细化和变质处理， 可获得一种具有更好压 铸 成 形 性 和 机 械 加 工 性 能 的 压 铸 铝 合 金 ＡＤＣ１２．１Ｒ．ＡＤＣ１２合金中加入 Ｌａ后， 经固溶时 效组织中粗大块状多边形初晶硅消失， 针状共晶硅 形貌由长针状变为短棒状且弥散分布； 有害化合物 形态得到改善， 并且固溶温度越高， 有害金属间化合 物溶解越多， 晶粒越细小； 当 Ｌａ添加量为０．３％时， 硅相 细 化 和 球 化 效 果 较 佳． 当 ＡＤＣ１２ 合 金 中 Ｍｇ＜１．０％时， 合金组织中将生成适量的 Ｍｇ ２Ｓｉ强 化相， 同时细化共晶硅相且不偏聚， 使铸态和 Ｔ６态 合金的强度均随 Ｍｇ含量的增加而提高； 而当 Ｍｇ＞ １．０％时， 形成较多 Ｍｇ ２Ｓｉ相且偏聚于晶界， 造成合 金强度下降．Ａｌ －Ｓｉ －Ｃｕ－Ｍｇ合 金 中 加 入 Ｓｃ后， 其 循环变 形 抗 力 大 幅 提 高， 同 时 又 延 长 了 低 周 疲 劳 寿命．

除合金成分外， 热处理和压铸工艺 亦 对 压 铸 铝 合金的组 织 与 性 能 有 显 著 影 响． 经 淬 火 的 ＡＤＣ１２ 合金经１２５ ℃保温１０ｈ的时效处理后， 抗拉强度达 到３０８ＭＰａ， 较热处理前提高 约２０％． 在 超 低 速 试验条件 下， 持 压 时 间 越 长 及 增 压 延 时 时 间 越 短， ＡＤＣ１２合金铸件性能越好； 铸造压力保持在适当范 围内， 当压力较小时， 增大铸造压 力 可 细 化α 相， 铸 件性能升高； 当铸造压力过大时将导致α 相粗大， 铸 件性能降低． 较低的浇注温度和压射压力有利于 减少 ＡＤＣ１２合 金 支 架 铸 件 中 气 孔 的 形 成， 慢 压 射 速度的降低有利于减少气孔数量， 但是当一级压射 速度增至９５Ｌ ／ｍｉｎ时， 反而有利于减少缺陷， 过慢 的慢压射速度易增加合金液与空气的接触时间， 导 致气孔数量的增加．

３．２ Ａｌ －Ｍｇ系压铸铝合金组织与性能的研究现状

国内外研究 人 员 对 Ａｌ －Ｍｇ 系 压 铸 铝 合 金 组 织 与性能的研究相对较少． 二十世纪９０年代， 德国莱 茵铝业公司从循环利用的铝料中开发出低 Ｆｅ含 量 的 高 强 韧 压 铸 铝 合 金 Ｍａ ｇ ｓｉｍａｌ －５９ （ ＡｌＭｇ ５Ｓｉ２Ｍｎ）， 其主要成分 Ｍｇ含量为５％～６％， Ｓｉ含量为１．８％～２．６％， Ｍｎ含量为０．５％～０．８％ 和 Ｆｅ≤０．１５％， 并对 Ｎｉ ， Ｃｕ和 Ｃａ等元素含量进行 严格控制， 由于有害富铁相数量的减少， 该合金伸长 率通常高于常用压铸铝合金； 低 Ｍｇ和低 Ｓｉ的耐蚀 Ａｌ －２．５Ｓｉ －２．１Ｍｇ －０．８Ｍｎ －０．２Ｃｒ合 金 具 有 流 动 性 良 好、 收缩率较小、 热裂敏感性较低、 铸造性能较好及 Ｔ４状态下力学性能较高、 应力腐蚀敏 感 性 低、 无 局 部腐蚀等特点， 是作为舰船耐蚀铸件的理想材料． 上 海交通 大 学 丁 文 江 课 题 组通 过 调 控 Ａｌ －Ｍｇ －Ｓｉ － Ｍｎ －Ｃｕ －Ｎｄ －Ｌａ合金中 Ｍｇ和 Ｍｎ的含量， 并添加少 量 ＲＥ， 解决了压铸时的粘模问题， 实现了高韧性和 自强化的效果， 压铸条件下合金室温屈服强度≥１４０ ＭＰａ， 抗拉强 度≥２６０ ＭＰａ， 伸 长 率＞１５％， 性 能 稳 定的 同 时 达 到 强 度 和 韧 性 要 求， 此 合 金 被 命 名 为ＪＤＡ２．

对于压 铸 Ａｌ －Ｍｇ －Ｓｉ －Ｍｎ 合 金 的 微 观 组 织 存 在 一些争议， 如少量沿晶界随机分布的粒子， 有人认为 是 Ｍｎ与β－Ａｌ ３Ｍｇ ２相反应后生成的 Ａｌ ６Ｍｎ相， 也有 人认为是 Ａｌ １５（ Ｆｅ，Ｍｎ） ３Ｓｉ ２相［ １８ －１９］．

４ 铝合金压铸技术的发展

压铸技术是将压铸室内 浇 入 的 液 态／半 固 态 合 金在高压高速下充填型腔、 成型而获得铸件的方法， 在此过程中压射比压、 模具和浇注温度、 保压 时 间、 型腔真空度等是主要影响因素． 传统铝合金压铸件中会存在以气孔为代表的较多缺陷， 气孔产生原因 主要有精炼除气不良、 模具排气不良、 压铸工艺参数 不当造成卷气及产品壁厚差过大等引起的． 氢气也 会造成铝合金压铸件中产生细小分散的气孔， 即针 孔． 因此传统压铸铝合金件不宜进行热处理， 从而制 约了其力学性能的提高． 近年来， 为了解决压铸件内 部存在的气孔和缩孔等问题， 国内外研究人员已提 出真 空 压 铸、 半 固 态 压 铸 和 挤 压 压 铸 等 先 进 技 术， 以获 得 高 强、 高 致 密 性、 可 焊 接、 热 处 理 和 扭 曲的压铸件．

真空压铸是指将型腔内气体抽空 或 部 分 抽 空， 降低型腔内气压， 便于充型和排除熔体内气体， 从而 获得致密压铸件的方法． 该真空压铸件内气孔率显 著降低、 微观组织更细小、 力学性能更高， 且能进行 热处理． 近年来， 真空压铸抽除型腔气体主要有模具 中直接抽气和置模具于真空箱中抽气两种形式． 其 中模具排气道位置和排气道面积的设计至关重要； 真空系统的选择亦非常重要， 要求在真空泵关闭之 前型腔内的真空度能保持至充型完毕． 国内一些高 校、 科研院所和企业对真空压铸技术开展了积极的 研究． 华中科技大学自主研发和设计的高空压铸用 的真空截止阀及真空系统在实际真空压铸生产中具 有指导意义， 北京科技大学、 清华大学、 重庆大学、 东 北大学等高校对真空压铸工艺及其模拟仿真进行了 有益的探索． 普通压铸件表面鼓气严重， 并且气孔大 且多， 而真空压铸件表面更光洁、 气孔数量少及气孔 体积小． 经５００ ℃ 固溶处理后， ＡｌＳｉ９Ｃｕ３ 合金真 空压铸件比普 通 压 铸 件 可 获 得 更 细 小 的 共 晶 Ｓｉ颗 粒． 真空压铸件及后续热处理件具有比普通压铸 件更好的力学性能．ＺＬ１０１ 合金高 真 空 压 铸 件 抗 拉 强度 和 伸 长 率 分 别 比 普 通 压 铸 件 提 高 １７．１６％ 和 ７１．９８％， 经 Ｔ６处理后抗拉强度再提高７．６８％． Ｃｕ含量为４．６％ 的 ＺＬ２０１ 合金真空压铸 件 的 抗 拉 强度 和 伸 长 率 分 别 由 普 通 压 铸 件 的 ２３１ ＭＰａ 和 ６．６％提高 至２４５ ＭＰａ和７．１％； 经 Ｔ６ 处 理 后， 普 通压铸和真空压铸件抗拉强度分别提高至２４９ＭＰａ 和２７６ ＭＰａ， 伸 长 率 均 有 所 降 低．ＡｌＳｉ１０ＭｇＭｎ 合金高真空压铸件经 Ｔ１处理后抗拉强度和伸长率 分别达到３５１．３ ＭＰａ和３．５％， 经 Ｔ５ 处 理 后 伸 长 率达到８．３％， 经 Ｔ６处理后抗拉强度和伸长率分别 达到３５８．４ＭＰａ和６．１％． 不同型腔真空度亦显 著影响压铸 性 能 和 热 处 理 性 能．ＡｌＳｉ１０ＭｇＭｎ 合 金 高真空压铸件（ 真 空 度 为９５～９７ｋＰａ） 的 伸 长 率 为 普通压铸件 的２．３ 倍， 经 Ｔ１ 处 理 后 高 真 空 压 铸 件 的屈 服 强 度 比 低 真 空 压 铸 件 （ 真 空 度 为 ６５～７０ ｋＰａ） 提高６４．２％， 经 Ｔ５ 处理后高真空铸件伸长率 可达８．４％， 经 Ｔ６处理后高真空铸件屈服强度和伸 长率分别达到３３９．８ＭＰａ和６．７％．

半固态压 铸 是 指 在 一 定 的 冷 却 速 率 下 获 得 约 ５０％甚至更高固相组分的浆料， 通过压铸使浆 料 成 形的技术． 目前， 主要有流变成形和触变成形两种工 艺， 成形工艺的关键是有效制取半固态合金浆料、 精 确控制固液 组 分 的 比 例 及 半 固 态 成 形 的 自 动 化 控 制． 国内北京有色研究总院、 北京科技大学、 清华大 学等高校在坯料制备、 流变学等方面作了一些研究， 工业化应用正在探索． 半固态压铸成形工艺适合于 高硅铝合金材料零件的成形制造， 该工艺可降低成 形温度， 使合金的组织致密、 性能提高．Ａ３９０合金半 固态流变压铸件经 Ｔ６处理后， 其抗拉强度、 伸长率 和硬度 分 别 为 ３０６ ＭＰａ， １．４８％ 和 １２８ＨＢＷ， 较 普 通压铸件的２２８ ＭＰａ， ０．７２％ 和８８ＨＢＷ 分 别 提 高 ３４．２％， １０５．６％ 和 ４５．５％；含 Ｓｉ 量 为 ２０％ 的 ＡｌＳｉＣｕＭｇＮｉＲＥ 高硅 铝 合 金 半 固 态 流 变 压 铸 件 的 抗拉强度和伸长率分别达到３１０ＭＰａ和０．６８％， 较 普通压铸件的２３２ＭＰａ和０．４７％分别提高３４％和 ４７％．Ａ３５６ 合 金 半 固 态 压 铸 件 与 普 通 压 铸 件 相 比， 其组织晶粒更均匀、 圆整， 且气孔缺陷明显减少 且组织致密， 合金综合力学性能更佳， 且热处理效果 更好， 经 Ｔ５处 理 后 半 固 态 压 铸 件 抗 拉 强 度 和 伸 长 率分别提高８％和９０％． 半固态压铸成形加工技 术今后应在低成本制备加工用坯料、 专用设备研制、 模具设计及成形过程计算机模拟、 开发适合于半固 态加工用的新型材料等方面深入研究， 以促进这一 技术的工业化应用．

挤压压铸又称液态金属模压， 挤压 压 铸 件 致 密 性好、 力学性能高且无浇冒口， 该工艺具有良好的工 艺优势， 能替代传统压铸和真空压铸等工艺． 我国的 一些企业已将其应用于实际生产中， 如二汽从日本 引进挤压铸造机生产发动机小连杆等铝合金铸件， 一汽用液锻法生产 ＣＡ６１０２发动机活塞等．

５ 结 语

压铸铝合金在汽车、 通讯电子和航 空 航 天 等 领 域中具有广泛的应用前景， 且铝合金压铸件向着大 型、 复杂、 薄壁和高精度、 集成化方向发展． 为了拓宽应用领域， 今后还应继续解决以下问题：

（１） 开发新型高强高导热的压铸铝合金、 可着色 的压铸铝合金， 以及用于生产有特殊安全性要求铸 件的新型压铸铝合金；

（２） 完善压铸新工艺， 如真空压铸、 半固态压铸、 挤压铸造等；

（３） 提高对市场的快速反应能力， 推行并行工程 和快速原型制造技术；

（４） 开展 ＣＡＤ ／ ＣＡＭ／ ＣＡＥ 系统的研发