劉 學(xué)，田 源，李美玲，李洪林

(1.遼寧忠旺集團(tuán)有限公司 忠旺研究院，遼寧 遼陽(yáng) 111003；2.遼寧工業(yè)大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，遼寧 錦州 121001)

近年來，汽車、船舶、國(guó)防軍工等領(lǐng)域的快速發(fā)展，對(duì)具有高功率密度、高緊湊性和高燃燒效率的內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)提出了迫切需求。大扭矩、高轉(zhuǎn)速、高燃燒壓力極大地增加了發(fā)動(dòng)機(jī)核心部件的機(jī)械負(fù)荷、熱負(fù)荷和磨損量?；钊前l(fā)動(dòng)機(jī)的“心臟”，如何提高活塞材料的綜合性能等成為制約我國(guó)高端發(fā)動(dòng)機(jī)行業(yè)發(fā)展的“卡脖子”問題。

過共晶鋁硅合金具有熱膨脹系數(shù)小、耐磨性好、強(qiáng)度高、尺寸穩(wěn)定性好、耐熱、耐腐蝕性好、減重效果好等特點(diǎn)，最適合制造高性能汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的氣缸、活塞等零件，能夠解決發(fā)動(dòng)機(jī)存在的拉缸、抱缸、竄油、竄氣、積炭、耗油、增噪等問題，使汽車重量更輕、速度更快、功率更大、油耗更低、噪音更小。然而，由于硅含量的增加，鋁合金凝固組織中易出現(xiàn)棱角尖銳、尺寸粗大的硅相，在硅相尖端部分容易產(chǎn)生裂紋，割裂基體，降低鋁硅合金的延伸率，嚴(yán)重限制了過共晶鋁硅合金的使用。

近年來，國(guó)內(nèi)外研究學(xué)者對(duì)提高過共晶鋁硅合金綜合性能方面，做了大量的研究工作，同時(shí)取得了最新的研究成果。提高過共晶鋁硅合金綜合性能一直是近年來研究學(xué)者的重點(diǎn)研究方向之一。

1 變質(zhì)處理

1.1 P變質(zhì)處理

P與鋁反應(yīng)形成AlP，AlP的晶格常數(shù)與初生硅非常接近，在凝固過程中AlP成為初生硅的形核基底，使初生硅細(xì)化。如果將P直接加入到鋁液，由于P的吸收率不穩(wěn)定，且污染嚴(yán)重，因此通常采用加含P的中間合金對(duì)過共晶鋁硅合金進(jìn)行變質(zhì)處理。中間合金的種類有Cu-P、Al-Cu-P、Al-Si-P等，變質(zhì)劑改用中間合金后，變質(zhì)效果穩(wěn)定，無污染，操作方便。

吳潤(rùn)澤等人[1]采用P對(duì)過共晶Al-22%Si合金進(jìn)行變質(zhì)處理，發(fā)現(xiàn)P的最佳添加量為1.0%，經(jīng)變質(zhì)處理后，合金中初生硅形態(tài)無明顯變化，尺寸明顯減小，最小值為23μm。繼續(xù)增加P的添加量，初生硅尺寸有粗化的趨勢(shì)。P對(duì)共晶硅組織幾乎無影響。陳淑英等人[2]采用Cu-9%P合金作為變質(zhì)劑對(duì)不同硅含量的過共晶鋁硅合金進(jìn)行變質(zhì)，變質(zhì)后采用熔體攪拌工藝，研究了攪拌工藝對(duì)最終變質(zhì)效果的影響。研究發(fā)現(xiàn)，Cu-9%P合金變質(zhì)過共晶鋁硅合金時(shí)，對(duì)熔體進(jìn)行攪拌可顯著提高變質(zhì)效果，初生硅細(xì)化率可達(dá)85%；在最佳攪拌時(shí)間內(nèi)，攪拌強(qiáng)度越大、硅含量越高，變質(zhì)效果越好；熔體攪拌容易得到均勻細(xì)小的AlP核心，當(dāng)采用最佳的熔體攪拌工藝后，典型的共晶組織基本消失，可獲得連續(xù)的α基體上均勻分布細(xì)小初生硅的凝固組織。

1.2 稀土變質(zhì)處理

石為喜等人[3]采用LaCe混合稀土對(duì)過共晶A390合金進(jìn)行變質(zhì)處理，研究發(fā)現(xiàn)0.5%的LaCe混合稀土能夠有效細(xì)化合金組織，經(jīng)過變質(zhì)處理后初生硅尺寸由40μm～60μm減小到10μm～30μm。X射線衍射分析結(jié)果表明，變質(zhì)后的合金中有新的富稀土相生成。變質(zhì)后合金的抗拉強(qiáng)度從168MPa提高到232MPa，伸長(zhǎng)率從0.25%提高到1.32%。

1.3 P和稀土復(fù)合變質(zhì)處理

采用單一元素變質(zhì)處理過共晶鋁硅合金時(shí)，初生硅的細(xì)化效果與形態(tài)的改善不能同時(shí)出現(xiàn)，為此人們采用復(fù)合變質(zhì)處理的方法，通過P+Na、P+B+Ti、P+稀土以及多元復(fù)合等方法，最終獲得組織細(xì)小、分布均勻、形狀圓滑的初生硅。武宏發(fā)等人[4]采用P和稀土La復(fù)合變質(zhì)處理對(duì)過共晶Al-Si合金微觀組織的影響。研究發(fā)現(xiàn)當(dāng)P加入量為0.06%后，初生Si的平均尺寸達(dá)到最小，從未變質(zhì)時(shí)的122μm下降到25μm。但隨著P含量的增加，初生硅尺寸變大，變質(zhì)效果反而變差，出現(xiàn)過變質(zhì)現(xiàn)象。采用P和La復(fù)合變質(zhì)時(shí)(P的加入量始終為0.06%)，加入0.9%的La對(duì)共晶Si的變質(zhì)效果最好；當(dāng)La的加入量增加到1.2%時(shí)，也出現(xiàn)過變質(zhì)現(xiàn)象。

2 快速凝固

快速凝固方法具有不同于常規(guī)鑄造的高冷卻速度，可以改善過共晶鋁硅合金的顯微組織，進(jìn)而提高過共晶鋁硅合金的綜合性能。楊文濤等人[5]分析了使用不同快速凝固制備方法對(duì)過共晶鋁硅合金組織和性能的影響，其中包括襯底急冷技術(shù)、快速凝固-粉末冶金技術(shù)、噴射沉積技術(shù)和選擇性激光熔化技術(shù)。研究發(fā)現(xiàn),隨著冷卻速度的增加，過共晶鋁硅合金的微觀結(jié)構(gòu)細(xì)化、化學(xué)均勻性提高、固溶度增加、非晶及亞穩(wěn)相形成，極大地改善了過共晶鋁硅合金的性能。同時(shí)發(fā)現(xiàn)，采用不同的快速凝固制備方法，得到的過共晶鋁硅合金的組織形貌也有所不同。王愛琴等人[6]對(duì)Al-21%Si合金采用快速凝固處理技術(shù)，快速凝固后晶粒的尺寸和組織形貌都有了明顯的改善。合金的凝固組織中，共晶硅由長(zhǎng)針狀變?yōu)榇罅考?xì)小雪花狀等軸晶；硅相的形核和生長(zhǎng)都受到了抑制，導(dǎo)致初生硅不能析出，最終凝固組織呈微納米級(jí)亞共晶組織。

3 超聲波處理

用超聲波處理過共晶鋁硅合金熔體，凝固組織中初生硅得到細(xì)化，其尖角鈍化程度也比較明顯。在合金液相線以下施加超聲振動(dòng)可以減小初生硅的尺寸，促進(jìn)初生硅的析出，改善初生硅的形貌并減小初生硅的長(zhǎng)大速率；超聲振動(dòng)也可以促進(jìn)共晶硅的析出，使共晶硅由長(zhǎng)針狀轉(zhuǎn)變?yōu)槎贪魻?，且?jīng)超聲振動(dòng)后共晶硅基本都在α-Al枝晶周圍形核[7]。程兆虎等人[8]用超聲波處理Al-20%Si合金。隨著超聲波處理時(shí)功率的提高，初生硅由粗大的板塊狀變成細(xì)小的顆粒狀，部分初生硅尖角鈍化；合金的抗拉強(qiáng)度和延伸率有所提高，經(jīng)過1200W超聲波處理40s，延伸率由0.29%提高到0.44%，抗拉強(qiáng)度由180MPa提高到251MPa。

4 半固態(tài)處理

對(duì)半固態(tài)亞共晶鋁硅合金進(jìn)行振動(dòng)或攪拌處理后，可得到球狀的初生α相[9]。受亞共晶鋁硅合金半固態(tài)處理效果的啟發(fā)，Lee等人[10]通過對(duì)過共晶Al-15.5%Si合金進(jìn)行半固態(tài)處理后得到了球狀初生硅。之后，人們采用了機(jī)械攪拌、電磁攪拌與振動(dòng)、坡板澆道、超聲波振動(dòng)、半固態(tài)壓縮等方法處理半固態(tài)過共晶鋁硅合金，主要研究了初生硅尺寸和形貌的變化以及對(duì)合金力學(xué)性能的影響。總體上看，對(duì)半固態(tài)過共晶鋁硅合金進(jìn)行不同處理后，組織中的初生硅得到不同程度的破碎；從改變初生硅形態(tài)的效果看，只是初生硅尖角得到鈍化。

5 結(jié)束語(yǔ)

通過比較近年來研究結(jié)果可知，變質(zhì)處理、快速凝固、超聲波處理以及半固態(tài)處理等方法均對(duì)改善過共晶鋁硅合金的組織和性能有顯著效果，在初生硅得到細(xì)化的同時(shí)，力學(xué)性能顯著提高。但快速凝固、超聲波處理以及半固態(tài)處理等方法，所需工藝及相關(guān)設(shè)備比較復(fù)雜，技術(shù)成果不穩(wěn)定，難以做成較大零件，成本相對(duì)較高，很難在工廠進(jìn)行推廣應(yīng)用。變質(zhì)處理相比于其他方法而言，簡(jiǎn)單易行，成本相對(duì)較低，變質(zhì)效果相對(duì)穩(wěn)定，適合在工廠進(jìn)行大批量生產(chǎn)應(yīng)用及推廣。

目前，我國(guó)汽車發(fā)動(dòng)機(jī)活塞用的高品質(zhì)鋁硅合金材料主要依靠進(jìn)口，近年來國(guó)家加強(qiáng)了對(duì)高品質(zhì)鑄鋁原材料的研發(fā)，以滿足航天航空的需求，未來將廣泛應(yīng)用在汽車行業(yè)中，以滿足發(fā)動(dòng)機(jī)活塞對(duì)高品質(zhì)過共晶鋁硅合金的要求。