一 : 铸造铝合金物理性能
—
—
ZL201
2.78
547.5～650
19.5
837
113
—
59.5
ZL201A
2.83
547.5～650
22.6
833
105
—
52.2
Zl202
2.91
—
22.0
963
134
34
52.2
ZL203
2.80
—
23.0
837
154
35
43.3
ZL204A
2.81
544～650
22.03
—
—
—
—
ZL205A
2.82
544～633
21.9
888
113
—
—
Zl206
2.90
542～631
20.6
—
155
—
64.5
ZL207
2.83
603～637
23.6
—
96.3
—
53
Zl208
2.77
545～642
22.5
—
155
—
46.5
ZL301
2.55
—
24.5
1047
92.1
21
91.2
ZL303
2.60
550～650
20.0
962
125
29
64.3
ZL401
2.95
545～575
24.0
879
—
—
—
ZL402
2.81
—
24.7
963
138.2
35
—
二 : 铸造铝合金缺陷80
1、表面铸造缺陷
1.1 拉伤
(1)特征：
①沿开模方向铸件表面呈线条状的拉伤痕迹，有一定深度，严重时为整面拉伤；②金属液与模具表面粘和，导致铸件表面缺料。
(2)产生原因：
①模具型腔表面有损伤；②出模方向无斜度或斜度过小；③顶出不平衡；④模具松动：⑤浇铸温度过高或过低，模具温度过高导致合金液粘附；⑥脱模剂使用效果不好：⑦铝合金成分含铁量低于O．8％；⑧冷却时间过长或过短。
(3)处理方法：
①修理模具表面损伤；②修正斜度，提高模具表面光洁度；③调整顶杆，使顶出力平衡；④紧固模具；⑤控制合理的浇铸温度和模具温度1 80-250。；⑥更换脱模剂：⑦调整铝合金含铁量；⑧调整冷却时间；⑨修改内浇口，改变铝液方向。
1.2 气泡
(1)特征：
铸件表面有米粒大小的隆起表皮下形成的空洞.
(2)产生原因
①合金液在压室充满度过低，易产生卷气，压射速度过高；②模具排气不良；③熔液未除气，熔炼温度过高；④模温过高，金属凝固时间不够，强度不够，而过早开模顶出铸件，受压气体膨胀起来；⑤脱模剂太多；⑥内浇口开设不良，充填方向交接。
(3)处理方法
①改小压室直径，提高金属液充满度；②延长压射时间，降低第一阶段压射速度，改变低速与高速压射切换点；③降低模温，保持热平衡；④增设排气槽、溢流槽，充分排气，及时清除排气槽上的油污、废料；⑤调整熔炼工艺，进行除气处理；⑥留模时间适当延长：⑦减少脱模剂用量。
1.3 裂纹
(1)特征：
①铸件表面有呈直线状或波浪形的纹路，狭小而长，在外力作用下有发展趋势；②冷裂隙开裂处金属没被氧化；③热裂一开裂处金属已被氧化。
(2)产生原因：
①合金中铁含量过高或硅含量过高；②合釜有害杂质的含量过高，降低了合金的塑性；③铝硅铜合金含锌量过高或含铜量过低；④模具，特别是模腔整体温度太低；⑤铸件壁厚、薄存有剧烈变化之处收缩受阻，尖角位形成应力；⑥留模时间过长，应力大；⑦顶出时受力不均匀。
(3)处理方法：
①正确控制合金成分，在某些情况下可在合金中加纯铝锭以降低合金中含镁量或铝合金中加铝硅中间合金以提高硅含量；②改变铸件结构，加角，改变出模斜度，减少壁厚差；③变更或增加顶出位置，使顶出受力均匀；④缩短开模及抽芯时间提高模温，保持模具热平衡。
1.4 变形
(1)特征：
①整体变形或局部变形；②压铸件几何形状图纸不符。
(2)产生原因：
①铸件结构不良；②开模过早，铸件刚性不够③顶杆设置不当，顶出时受力不均；④进浇口位当或浇口厚度太厚，切除浇口时容易变形；⑤由具局部表面粗糙造成阻力大，产品顶出时
变形；于模具局部温度过高，产品未完全固化，顶出时力大，引起产品变形。
(3)处理办法：
①改进铸件结构；②合理调整保压和开模日③合理设置顶出位置及顶杆数量，最好用4根，开阔的地方；④改变浇口位置，使浇口有一个点，减小浇口厚度，以能保证产品的铸造质量为准这样切除浇口时产品就不容易变形；⑤加强模面处理，减少脱模阻力；⑥对局部模具温度进行亏控制，保持模具热平衡。
1.5 流痕、花纹
(1)特征：
铸件表面上有与金属液流动方向一致的条纹有明显可见的与金属基体颜色不一样的无方向性的纹路，无发展趋势。
(2)产生原因：
①首先进入型腔的金属液形成一个极薄的而又不完全的金属层后，被后来的金属液所弥补而留下的痕迹；②模温过低，模温不均匀：③内浇道截面积过小及位置不当产生喷溅；④作用于金属液的压力不足；⑤花纹：涂料用量过多。
(3)处理方法：
①提高金属液温度620％～650℃；②提高模温，保持200~C~250"(2的热平衡；⑧加厚内浇道截面积改变进口位置；④调整充填速度及压射时间行程长度；⑤选用合适的涂料及调整对比浓度用量。
1.6 冷隔
(1)特征
压铸件表面有明显的、不规则的、下陷线性纹路(有穿透与不穿透两种)形状细小而狭长，有的交接边缘光滑，在外力作用下有发展的可能。
(2)产生原因：
①两股金属流相互对接，但未完全熔合而又无夹杂存在其间，两股金属结合力很薄弱；②浇注温度或压铸模温度偏低；③选择合金不当，流动性差；④浇道位置不对或流路过长；⑤填充速度低，压射比压低。
(3)处理方法：
①适当提高浇注温度和模具温度；②提高压射比压，缩短填充时间；③提高压射速度，同时加大内浇口截面积；④改善排气、填充条件；⑤正确选用合金，提高合金流动性。
1.7 变色、斑点
(1)特征：
铸件表面上呈现出不同的颜色及斑点。
(2)产生原因：
①不合适的脱模剂；②脱模剂用量过多，局部堆积；③含有石墨的润滑剂中的石墨落入铸件表层；④模温过低，金属液温度过低导致不规则的凝固引起。
(3)处理方法：
①更换优质脱模剂；②严格喷涂量及喷涂操作；③控制模温，保持热平衡；④控制金属液温度。
1.8 网状毛翅
(1)特征：
压铸件表面上有网状发丝一样凸起或凹陷的痕迹，随压铸次数增加而不断扩大和延伸。
(2)产生原因：
①压铸模型腔表面龟裂；②压铸模材质不当或热处理工艺不正确；③压铸模冷热温差变化大；④浇注温度过高；⑤压铸模预热不足；⑥型腔表面粗糙。
(3)处理方法：
①正确选用压铸模具材料及热处理工艺；②浇注温度不适合过高，尤其是高熔点合金；③模具预热要充分；④模具完成制造后进行低温长时效处理或对表面进行化学氧化处理；⑤打磨成型部分表面，减少表面粗糙度Ra值，Ra0．8～Ra0．4；⑥合理选择模具冷却方法；⑦避免对模具表面的强冷却。
1.9 IEI陷
(1)特征：
铸件平滑表面上出现凹陷部位。
(2)产生原因：
①铸件壁厚相差太大，凹陷多产生在厚壁处；②模具局部过热，过热部分凝固慢；③压射比压低；④由模具高温引起型腔气体排不出，被压缩在型腔表面与金属液界面之间。
(3)处理方法：
①铸件壁厚设计尽量均匀；②模具局部冷却调整；③提高压射比压；④改善型腔排气条件。
1.10 欠铸
(1)特征：
铸件表面有浇不足部位；轮廓不清。
(2)产生原因：
①流动性差原因；②合金液吸气、氧化夹杂物，含铁量高，使其质量差而降低流动性；③浇注温度低或模温低；④充填条件不良；⑤比压过低；⑥卷入气体过多，型腔的背压变高，充型受阻；⑦操作不良，喷涂料过度，涂料堆积，气体挥发不掉。
(3)处理方法：
①提高合金液质量；②提高浇注温度或模具温度；③提高比压、充填速度；④改善浇注系统金属液的导流方式，在欠铸部位加开溢流槽、排气槽；⑤检查压铸机能力是否足够。
1.11 毛刺飞边
(1)特征：
压铸件在分型面边缘上出现金属薄片。
(2)产生原因：
①锁模不够；②压射速度过高，形成压力冲击峰过高；③分型面上杂物未清理干净；④模具强度不够造成变形；⑤镶块、滑块磨损与分型不平齐。
(3)处理方法：①检查合模力和增压情况，调整压铸工艺参数；②清洁型腔及分型面；③修整模具；④最好是采用闭合压射结束时间控制系统，可实现无飞边压铸.。
2、压铸件内部缺陷
2.1 气孔
(1)特征及检查方法：
解剖后外观检查或探伤检查，气孔具有光滑的表面、形状为圆形。
(2)产生原因：
①合金液导入方向不合理或金属液流动速度太高，产生喷射；②过早堵住排气道或正面冲击型壁而形成漩涡包住空气，这种气孔多产生于排气不良或深腔处；③由于炉料不干净或熔炼温度过高，使金属液中较多的气体没除净，在凝固时析出，没能充分排出；④涂料发气量大或使用过多，在浇注前未浇净，使气体卷入铸件，这种气体多呈暗灰色表面；高速切换点不对。
(3)处理方法：
①采用干净炉料，控制熔炼温度，进行排气处理；②选择合理工艺参数、压射速度、高速切换点；③引导金属液压力平衡，有序充填型腔，有利气体排出；④排气槽、溢流槽要有足够
的排气能力；⑤选择发气量小的涂料及控制排气量。
2.2 缩孔、缩松
(1)特征及检查方法：
①解剖或探伤检查，孔洞形状不规则、不光滑、表面呈暗色；②大而集中为缩孔小而分散为缩松。
(2)产生原因：
①铸件在凝固过程中，因产生收缩而得不到金属补偿而造成孔穴；②浇注温度过高，模温梯度分布不合理；③压射比压低，增压压力过低；④内浇口较薄、面积过小，过早凝固，不利于压力传递和金属液补缩；⑤铸件结构上有热节部位或截面变化剧烈；⑥金属液浇注量偏小，余料太薄，起不到补缩作用。
(3)处理方法：
①降低浇注温度，减少收缩量；②提高压射比压及增压压力，提高致密性；③修改内浇口，使压力更好传递，有利于液态金属补缩作用；④改变铸件结构，消除金属积聚部位，壁厚尽可能均匀；⑤加快厚大部位冷却；⑥加厚料柄15～30mm，增加补缩的效果。
2.3 夹杂
(1)特征及检查方法：
混入压铸件内的金属或非金属杂质，加工后可看到状态不规则，大小、颜色、高度不同的点或孔洞。
(2)产生原因：
①炉料不洁净，回炉料太多；②合金液未精炼；③用勺取液浇注时带入熔渣；④石墨坩埚或涂料中含有石墨脱落混入金属液中；⑤保温时温度高，持续时间长。
(3)处理方法：
①使用清洁的合金料，特别是回炉料上脏物必须清理干净；②合金熔液须精炼除气，将熔渣清干净；③用勺取液浇注时，仔细拨开液面，避免混入熔渣和氧化皮；④清理型腔、压室；⑤控制保温温度和减少保温时间。
2.4 脆性
(1)特征及检查方法：
铸件基体金属晶粒过于粗大或极小，使铸件易断裂或碰碎。
(2)产生原因：
①铝合金中杂质锌、铁、铅、锡超过规定范围；②合金液过热或保温时间过长，导致晶粒粗大；③激烈过冷，使晶粒过细。
(3)处理方法：
①严格控制金属中杂质成分；②控制熔炼工艺，降低浇注温度；③提高模具温度。
2.5 渗漏
(1)特征及检查方法：
压铸件经耐压试验，产生漏气、渗水。
(2)产生原因：
①压力不足，基体组织致密度差；②内部缺陷引起，如气孔、缩孔、渣孔、裂纹、缩松、冷隔、花纹；
③浇注和排气系统设计不良；④压铸冲头磨损，压射不稳定。
(3)处理方法：
①提高比压；②针对内部缺陷采取相应措施；③改进浇注系统和排气系统；④进行浸渗处理，弥补缺陷；⑤更换压室、冲头。
2.6 非金属硬点
(1)特征及检查方法：
机械加工过程或加工后外观检查或金相检查发现铸件上有硬度高于金属基体的细小质点或块状物使刀具磨损严重，加工后常常显示出不同的亮度。
(2)产生原因：
①非金属硬点；②混入了合金液表面的氧化物；③铝合金与炉衬的反应物；④金属料潜入异物；⑤夹杂物。
(3)处理方法：
①铸造时不要把合金液表面的氧化物舀入勺内；②清除铁坩埚表面的氧化物后，再上涂料。及时清理炉壁，炉底的残渣；③清除勺子等工具上的氧化物；④使用与铝不产生反应的炉衬材料；⑤纯净金属料。
2.7 金属硬点
(1)特征及检查方法：
机械加工过程或加工后外观检查或金相检查发现铸件上有硬度高于金属基体的细小质点或块状物使刀具磨损严重，加工后常常显示出不同的亮度。
(2)产生原因：
①金属硬点混入了未熔解的硅元素；②初晶硅：铝液温度较低，停放时间较长，③FE、MN元素偏析，产生金属间化合物。
(3)处理方法：
①熔炼铝硅合金时，不要使用硅元素粉未；②高速合金成分时，不要直接加入硅元素，必须采用中间合金；③提高熔化温度、浇注温度；④控制合金成分，特别是FE杂质量；避免FE、MN等元素偏析；⑤合金中含Si量不适合接近或超过共晶成分；⑥对原材料控制基体金相组织中的初晶硅数量。
3、缺陷产生的影响因素
3.1 压铸件常见缺陷及影响因素，见表1
3.2 解决缺陷的思路
由于每一种缺陷的产生原因来自多个不同的影响因素，因此在实际生产中要解决问题，面对众多原因到底是先调机？或是先修模具？建议按难易程度，先简后复杂去处理，其次序：
(1)清理分型面、清理型腔、清理顶杆；改变涂料、改善喷涂工艺；增大锁模力；增加浇注金属量；这些是靠简单操作就可以实施的措施。
(2)调整工艺参数、压射力、压射速度、充型时间、开模时间、浇注温度、模具温度等。
(3)换料，选择质优的合金锭，改变新料与回炉料的比例，改进熔炼工艺。
(4)修改模具、修改浇注系统、增加内浇口、增设溢流槽、排气槽等。
3.3 例如压铸件产生飞边的原因
(1)压铸机问题：锁模力调整不对。
(2)工艺问题：压射速度过高，形成压力冲击峰过高。
(3)模具问题：变形、分型面上杂物，镶块、滑块有磨损不平齐，模板强度不够。
(4)解决飞边的措施顺序：→清理分型面→提高锁模力→调整工艺参数→修复模具磨损部位→提高模具刚性度。从易到难，每做一步改进，先检验其效果，不行再进行第二步。
三 : 全铝合金打造 摩根将推出新跑车EvaGT
[61阅读 新闻] 英国的摩根（Morgan）品牌是一个以生产个性跑车为主的汽车厂商，其汽车以复古的外形和纯手工打造吸引着客户，其生产的车型大部分为木质车架结构。但是近日，有媒体报道摩根将推出一款全铝合金打造的车型EvaGT。
这款车的图片为效果图，新车扁长的前脸和纤细的头灯，搭配大开口的进气格栅，勾勒出极具攻击性的外观效果。车厢部分考虑到空气动力学效应，造型同样低矮顺滑，彻底改变了摩根车型复古优雅的设计风格。
EvaGT采用全铝合金车身和车架，之所以放弃惯用的木质车架结构是因为安全性不足以满足欧洲及北美国家的安全碰撞法规。而采用全铝合金打造使得车重只有1250公斤，同时又提高了车身刚性，可谓一举两得。
动力方面，摩根EvaGT采用的是宝马的N54双涡轮增压3.0L发动机，最大功率306马力，最大扭矩404N·m。百公里加速仅需4.5秒，最高时速可以达到272km/h。这款车将于2012年发布，售价为96,195英镑（约合人民币101.9万）。（编译/61阅读 章宁）
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四 : 我国将迎来铸造铝合金板材发展的黄金时期
相关资料显示，在未来五年中，我国将迎来铸造铝合金板材发展的黄金时期”。［www.61k.com]
据了解，铝合金材料是我国精密铸造产业重点发展的新型材料，同时，它也将会被广泛的运用到其他行业中，尤其是汽车、航空行业，随着这些相关行业的快速发展，铸造铝合金材料的发展也已经形成一个良性的产业链，轻量化等优点也铸造将让铝合金材料越来越多的进入更多的行业来替代以前的材料，其发展在这些行业中倍受青睐，业内人士表示我国铸造铝合金产业将为成为我国一大支撑产业。
五 : 51[1]铸造铝合金现状及未来发展
熊艳才** 刘伯操
摘 要 综述了传统铸造铝合金，Al-Si系，Al-Cu系等的研究现状和发展，介绍了先进铸造铝基复合材料的研究和应用前景。提出面对21世纪的挑战，铸造铝合金的研究和应用必须与先进的制造技术、工艺技术结合起来，使铸造铝合金这种传统的金属材料在新世纪焕发新的光彩。与此同时，随着现代工业的飞速发展，尚需不断地开发研究新合金。
关键词：铸造铝合金 研究 开发
Review and Prospect of Cast Aluminum Alloy
Xiong Yancai Liu Bochao
(Beijing Institute of Aeronautical Materials)
ABSTRACT The present research and development of classic cast aluminum alloys, Al-Si, Al-Cu et al, have been reviewed in this paper. The aluminum-matrix composites has also been reviewed. However, faced the challege of 21st century, the classic material must be connected with the development of advanced manufacture technology and casting process technology. Furthermore, with the development of modern industry, new cast aluminum alloys need to be
developed and researched.
Key Words:Cast Aluminum, Research, Develpment
0 前 言
铸造铝合金为传统的金属材料，由于其密度小、比强度高等特点，广泛地应用于航空、航天、汽车、机械等各行业。随着现代工业及铸造新技术的发展，对铸造铝合金需求量越来越大。例如，80年代末到90年代初，在铸件总量停滞甚至下降的时候，日本的铝铸件产量一直保持着年递增10%左右的高增长率［1］。又以汽车工业为例，由于要降低能耗，汽车需减重，各国广泛地采用铝等有色铸件代替钢铁铸件。到2001年，小汽车总重将降低为800 kg,其中钢铁零部件为200kg,铝合金零部件为275 kg,镁合金将增为40 kg［2］。而汽车零部件70%为铸件，由此可以看出，铸造铝合金的研究及应用将继续得到发展。
铸造铝合金的研究一直备受关注，由于铝合金的熔点相对较低，故许多学者以其为对象研究铸造过程的机理。同时，为全面发挥铝合金潜力，在铝合金熔炼工艺及铸造工艺上的研究较多，如：铝合金净化、变质、细化、合金化、纯化等，这些先进的工艺技术研究旨在改善铸造合金的工艺性，进一步提高合金的性能，生产出优质铸件，以满足人们对铸件的越来越高的要求。此外，许多特种铸造铝合金也相继研制出，如高强度铸造铝合金ZL205A，σb可达500 MPa；耐热铸造铝合金ZL208，使用温度为250～350 ℃［3］。
近年来，铸造铝合金的研究也得到相应的发展，其中发展较为迅速的是铸造铝基复合材料。铸造Al-Si基SiC颗粒增强复合材料的研究和应用相对成熟。随着SiC颗粒的加入，提高了合金的性能，尤其是刚性和耐磨性，并已应用到航空、航天、汽车等领域［4］，具有广阔的应用前景。此外，一些新型特种功能的铸造铝合金材料也处于研究应用阶段。
尽管铸造铝合金具有广阔的应用前景，但其研究与应用也面临着严峻的挑战。首先，随着现代工业的飞速发展，人们对铸件的可靠性等要求越来越高，同时对合金综合性能和特种性能的要求不断提高。如何使传统的铸造铝合金在新世纪继续保持发展势头，如何开发研制新合金满足各种需要，使得铸造铝合金这种传统的合金材料焕发新的光彩，是摆在我们面前的重要课题。
1 传统铸造铝合金研究
几十年来，围绕铸造铝合金成分、组织、性能进行了大量的研究，使传统的铸造铝合金综合性能上了一个新台阶。其中研究和应用较多的是Al-Si系合金和Al-Cu系合金。与此同时，铝合金的熔炼及处理技术也飞速地发展，一方面这些先进的合金液处理技术提高了合金性能及铸件的整体性能；另一方面，利于生产和环境保护。下面针对上述两个方面进行阐述。
1.1 铸造铝合金成分、组织、性能的研究
1.1.1 Al-Si系合金
Al-Si系合金具有良好的铸造性能，故它是研究和应用最为广泛的铸造铝合金，适用于各种铸造方法。Si作为该类合金的主要合金元素加入，提高了合金的铸造性能，改善了流动性，降低了热裂倾向性，减少了缩松，提高了气密性，可获得组织致密的铸件，该类合金具有良好的抗蚀性，中等强度，但塑性较低。
Si是该类合金组织中的第二相，它虽改善了合金的铸造性能，但Si对合金的基体强度与韧性等均有所削弱(WSi>7%)。因此，Al-Si合金的研究主要是如何通过合金元素强化、改变第二相组织、减少合金杂质含量等，以提高
合金的力学性能。
(1) 合金元素对Al-Si合金性能的影响
Mg是Al-Si合金中主要的强化元素，Mg与Si经热处理强化形成Mg2Si沉淀相，有效地提高了合金的性能。随着Mg含量的增加，合金强度增加，但延性下降。对于356合金，每增加0.01%的Mg,合金强度增加6.89 MPa,但对于357合金，却只增加一半［5］。最新研究表明，Mg可抑制Fe相的有害作用。当Fe的含量较低时，Mg与Si仍形成Mg2Si相，当含Fe量增加时，可形成Al-Fe-Si-Mg化合物，从而减少Fe的危害［6］。
Fe是Al-Si合金中另一个十分重要的元素，Fe在合金中形成一些条状的脆性金属间化合物，如FeSiAl5等，即使是微量的Fe对合金的韧性与延性都有极大的影响。当Fe含量不超过0.5%时，可使合金的强度略有升高，但超过0.5%后，合金的强度缓慢下降［7］。减少Fe相的有害作用，一方面可通过提高冷却速度，细化Fe相，另一方面主要通过合金元素“中和”。Mn能改变FeSiAl5的条状组织，形成(FeMn)3Si2Al15的细小颗粒，对合金韧性基本无损，但Fe和Mn的含量超过0.8%时，便形成六方晶球，合金性能便下降。与Mn相似，Cr在Al-Si合金中形成(Cr,Fe)Si4Al13的团状组织，可减少Fe相的危害，但Cr和Mn均不能改善合金的抗裂纹扩展性能［8］。最近研究表明，微量的Be即WBe为(5～10)×10-6时可防止合金氧化并提高合金的延性［5,9］,Be的加入，改变了含Fe相的长条状结构，使之形成短条状和立方晶体，从而提高了合金的韧性和延性。
其他合金元素，如Cu,Zn等均对合金韧性有不利的影响，故一般作为杂质元素来控制。Ti和B是微合金化元素，可细化合金组织、改善合金性能，但过多会引起中毒现象［10］。Ti含量的范围一般为0.05%～0.2%，过多的Ti对合金的力学性能有损。有些研究者指出，过剩的TiAl3阻止热处理过程中Mg2Si相的析出［11］。
(2) 变质处理
Al-Si合金的力学性能与其组织中第二相——共晶硅的形态与分布紧密相关。改变共晶Si的形态，减小其对基体性能的削弱作用，是提高合金性能的有效途径。自1920年Pacz［12］发现Na对Al-Si合金有变质作用以来，众多学者在此方面进行了大量的试验研究，Al-Si合金的变质机理，已逐渐被人们所认识，并已研制出多种变质剂，且可对变质效果进行控制。
Al-Si合金的变质机理有两种说法，核心说与生长抑制说。现在一般倾向于后者。许多学者研究了Al-Si合金中共晶Si的生长机制［13～15］,共晶硅在生长时存在内部缺陷［14］，并沿〈211〉方向择优生长成板片状，板片状的共晶硅可通过小角度机制及大角度机制生成孪晶［13］。变质元素的加入，消除了共晶Si生长的固有台阶，产生大量高密度孪晶，变为TPRE(Twin Plan Reentrant-Edge)生长机制，择优方向为〈100〉，共晶硅呈纤维状［15］。抑制共晶Si的生长，需要有外来质点封锁其固有台阶，这些外来质点的最佳原子半径为0.196 nm［13］。原子半径与此值相近的元素可作为Al-Si合金的变质剂，经试验研究，这类元素主要有：Na,Sr,Te,Ba,Sb,K,RE,Y,B,S等［16］。而目前应用较广泛的是Na和Sr。Sr变质与Na变质比较起来有许多的优点，同时也是国际上研究和应用的趋势［17］。Sr变质可使Al-Si合金的强度提高20%左右，伸长率可提高2～3倍［18］。气体精炼与加Sr变质是Al-Sr合金生产的主要趋势。
此外，与铸铁中改变石墨形态类似，即石墨球化后，铸铁性能大幅度提高。最近，已有学者从事Al-Si合金共晶硅球化研究工作，通过液态处理与热处理相结合，可使共晶硅团球化［19］，但尚未见详细报道。
1.1.2 Al-Cu系铸造合金
Al-Cu系铸造铝合金牌号很多，Cu作为主要合金元素加入，可提高合金的强度，改善高温性能，同时，也利于材料的机加工。但Al-Cu系合金铸造性能较差，热裂倾向大，并有晶间腐蚀和应力腐蚀倾向。Al-Cu系合金可分为两大类：高强度铸造铝合金和耐热铸造铝合金。由于耐热铸造铝合金的可使用温度和高温性能低于Ti合金，故现逐渐被Ti合金取代。但高强度铸造铝合金的研究与应用仍保持良好势头，它可取代部分锻件，并铸造形状复杂的零件，在航空、航天等领域有着广泛的应用。
高强度铸造铝合金一般是单相合金，主要是通过合金化、纯化和细化来提高合金的强度。主要的合金元素有Mn,Ti,Zr,V,Cd,B等。这些合金元素和Cu均固溶到α相的基体中，并通过时效强化，析出多种金属间化合物强化合金。通过Ti和Zr等细化α晶粒，同时提高合金纯度，降低杂质元素如Fe,Si,Zn等的有害作用，可使合金强度、延性大幅度提高。与Al-Si合金相比，其强度提高约100～200 MPa。我国在高强度铸造铝合金的研究方面处于世界领先地
位。早在70年代末，发明了ZL205A［20］。按技术标准(HB962-86)规定，σb≥490 MPa(热处理状态为T6)，典型性能σb可达510 MPa［3］，是目前世界上强度最高的高强铸度造铝合金。该合金已在航空、航天领域得到广泛应用。 为进一步提高合金强度，各国学者一直致力于研究新的合金强化元素。合金元素Sc析出的Al3Sc相有很好的时效强化作用［21～23］。许多研究者认为，该元素将成为新的铝合金强化元素。
1.2 铸造铝合金的熔体处理技术
铝的化学性质比较活泼，熔炼过程中易与水气反应，氧化并吸氢。氢在铝合金中从液态到固态的饱和溶解度相差近17倍。因此，铝合金铸件易产生针孔和夹杂等缺陷。所以，熔体质量控制是铸造铝合金研究的一个重要部分。提高熔体质量，可直接提高铸件质量和性能，这也是当前铸造铝合金研究的一个方面。
氢在铝合金中溶解析出过程及其作用机理，许多学者已进行了大量研究［24，25］，测试出不同温度下，氢在铝液中的溶解度，并推导出氢在铝液中的溶解度算式［25］。有学者指出，铝液变质也会加快铝液吸氢［18］。然而，针对铝液中的夹杂物的研究却十分少见。铝液中夹杂物与其气体是相互作用的，铝液中夹杂物的种类和形态十分复杂，尺寸也很小(一般在50 μm以下)［5］。有关夹杂物的形成及作用机理，尚需进一步研究。
去除铝液中气体和夹杂物是铸造铝合金广泛应用的关键。因此铝液净化技术也随之发展起来。最早铝液净化是用Cl2或氯盐(C2Cl6等)等处理铝液，但Cl2及C2Cl6除氢效果虽好，去夹杂能力却较差，同时产生大量有毒气体，因此，铝液净化的发展过程也是取代氯气、氯盐处理的过程。N2和Ar为惰性气体，但其去氢效果不佳。很长时间以来均是将Cl2,Freon, CCl4,SF6等与N2和Ar复合处理铝液［27］。在此期间国内也研制出许多无毒精炼剂［28，29］。 80年代末，英国FOSECO公司利用气泡浮游原理，研制出一种FDV设备，用旋转喷头自铝液底部吹入惰性气体，气泡被分离或弥散，均匀分布的小气泡，大大增加了气体与溶液的接触面积与作用时间，能有效地去除氢及夹杂物，这种方法称之为RID法［30～35］。RID法处理铝液可使铝液中氢的含量降至6×10-8以下，并能有效去除细小夹杂物。许多学者对这种方法处理铝液的过程，建立了数学模型，并进行了计算［36］。结合Sr变质，这种方法得到了广泛应用。此外，英国HEPWRTH矿产化学有限公司结合气体净化和熔剂净化的优点，研制出熔剂喷射机［37］。它是以惰性气体为载体，将熔剂喷入合金液中，净化与变质同时进行。
惰性气体虽能去除部分铝液中的夹杂物，但它去除固体夹杂物的能力不强，而且只有尺寸大于30～40 μm的夹杂物才有可能被气泡带走［38］。而影响铝铸件质量的夹杂物尺寸一般在10～20 μm以下［39］，故仅靠惰性气体去夹杂是不够的。因此过滤技术也被广泛采用。过滤一般采用过滤网、过滤块、过滤床等，过滤网只能去除尺寸大于90 μm的夹杂物，过滤块可去除30～50μm的夹杂物，而过滤床能去除尺寸小于20 μm的夹杂物，净化效果较为理想［39］。
2 新材料的发展与先进铸造技术的应用
2.1 铸造铝基复合材料的发展
早在60年代初期，即开始了对铝基复合材料的研究。初期研究主要是针对铝合金基体和增强颗粒、增强纤维的复合，研究复合材料各方面的性能。复合材料的性能较原基体铝合金在强度、刚性、耐热、耐腐性等方面均有大幅度的提高。例如，以铸造A356合金为基的SiC(15%)颗粒增强复合材料，强度由255 MPa提高到317 MPa,弹性模量由75.2 GPa提高到95.8 GPa［40］，但伸长率有所下降。在204 ℃时，A356与A356/SiC/20的σb和σ0.2分别为103
MPa,83 MPa与214 MPa,234 MPa［41］。A356与A356/SiC/20、铸铁的耐磨性比较，在相同的条件下体积磨损量之比为1∶0.28∶0.36［42］。
铝基复合材料具有高的比强度、比刚度和优良的高温力学性能以及低的膨胀系数和优良的耐磨性，在航空、航天、汽车、电子、光学等工业领域具有十分广泛的应用前景，是当前金属基复合材料研究的热点，也是铸造铝合金发展的新方向。
铝基复合材料研究和应用首先须解决材料的制备问题，即解决铝合金与颗粒或纤维的复合工艺。复合方法主要有液态金属浸渗、弥散混合、粉末冶金等方法，这些方法的制造成本较高。1986年Pural公司［43］首先发明了能大批量生产、可重熔的铝基复合材料铸锻的新工艺，使其在成本上和工艺上都满足工业生产需要，并且重熔铸锻可直接浇注形状复杂、尺寸精确、表面光洁的精密铸件，使铝基复合材料的发展上了一个新台阶。
自1983年日本丰田汽车公司制备了氧化铝短纤维增强铝合金活塞以来，铝基复合材料以其优越的性能得到世界范围的广泛研究，并日趋走向工业规模的应用。以汽车行业为例，汽车驱动杆、刹车盘、缸体和缸套、活塞、连杆等各种重要部件，均可用铝基复合材料制作，并已在高级赛车上有应用［44］。汽车刹车盘转子，用颗粒增强铝合金复合材料制作，可减重50%～60%,减小了惯性力，增大了制动加速度，提高了导热速度，减小了磨损，从而改善了刹车盘的性能。所使用的复合材料为铸造359和356基SiC增强的复合材料，并以铸造方法制造［44］。
2.2 先进铸造技术的应用
随着工业化进程的加快，一方面追求合金本身高的性能；另一方面对铸件的要求也日益提高。现在铝合金铸件的发展趋势是：规模化的工业生产和良好的复杂铸件整体性能。铸造形状复杂，尺寸精密，大型薄壁整体无余量铸件是将来一段时期铸铝件的发展方向。与此相对应的，研制将若干个铸件组合成一个整体，提高铸件的整体结构性能，如刚性、强度等，同时也提高了铸件的可靠性［45］。
由于铸件的复杂化、整体化，传统的图纸设计及铸造工艺方法已难满足要求。因此，先进的计算机技术在铸造领域内便得到广泛应用，无纸设计及并行制造技术随之而发展起来。首先，利用计算机软件将复杂构件在计算机中生成三维立体，在此基础上进行工艺方法的设计，并对其进行模拟，虚拟铸造过程，优化铸造工艺方案。利用快速成型技术，可进行零件试制和设计校核，从而大大降低了传统铸造工艺方法中人为因素带来的影响。先进技术的应用，各种工艺方法的改进和铸造过程的控制，必将有益于提高铸件整体质量，从而提高铸件的可靠性。这是今后铸件的发展趋势之一。
3 结 语
随着现代工业的发展，传统铸造铝合金的研究和应用也得到飞速发展，并日趋成熟。但铸造铝合金铸件的需求将越来越大，因此铸造铝合金的研究和应用将会进一步完善和发展。面对21世纪的挑战，传统的铸造合金和先进的制造技术、工艺技术等相结合，将会焕发出新的光彩。同时特种性能的铸造铝合金的研究也亟待不断开发和应用。
作者简介：熊艳才 男，1966年11月生，湖北武昌人。1989年毕业于哈尔滨工业大学，1996在华中理工大学取得博士学位，现任北京航空材料研究院高级工程师。研究方向为铸造合金及工艺。在读期间曾研究了耐水砂磨损新型高铬白口铸铁，并研制出大型引黄用泵叶轮铸件；研究了铝合金液态质量控制技术等课题。工作期间以铸造铝合金及工艺的研究为主，从事铝锂合金、高强铝合金及工艺、大型复杂航空铝合金铸件的研究与开发工作，还开展了大型复杂航空铝合金铸件铸造过程的模拟与测试的研究工作，并应用快速成型技术进行了铸件的研制。已取得大型复杂航空铝合金铸件封闭型腔、细长孔铸造专利二项。在国内外学术刊物上发表论文10余篇。
*北京航空材料研究院，北京(100095)
作者单位：熊艳才 刘伯操（北京航空材料研究院）
参 考 文 献
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收稿日期：1998-03-20
(编辑： 陈渭臣)
51[1]铸造铝合金现状及未来发展_铸造铝合金
铸造铝合金现状及未来发展
作者：
作者单位：
刊名：
英文刊名：
年，卷(期)：
被引用次数：熊艳才， 刘伯操， Xiong Yancai， Liu Bochao北京航空材料研究院,北京,100095特种铸造及有色合金SPECIAL CASTING & NONFERROUS ALLOYS1998，(4)63次
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1.期刊论文 徐小科.彭晓东.谢卫东.张安琴.XU Xiaoke.PENG Xiaodong.XIE Weidong.ZHANG Anqin 铸造铝合金的强化研究 -材料导报2008,22(z1)
铸造铝合金在诸多方面有着极其广泛的应用.阐述了铸造铝合金强化的途径,包括合金化、变质处理、晶粒细化和熔体处理.研究和试验表明,铸造铝合金可以通过上述方法得到强化.
2.学位论文 朱正宇 铸造铝合金多轴非比例加载低周疲劳特性及其微观机理的研究 2007
随着汽车工业、城市轨道交通的快速发展，铸造铝合金等轻量化材料被越
来越多地应用于车用构件中，以替代钢、铸铁等传统材料，如汽车的缸体、轮
毂及磁浮列车的托臂、摇枕等关键构件都已大量使用铸造铝合金材料。由于汽
车、磁浮列车的关键构件通常处于多轴受力状态下，材料的循环变形行为与单
轴加载相比会有较大变化，疲劳寿命也更低，因此深入研究铸造铝合金材料的
多轴疲劳性能可以为构件的安全设计提供更为符合实际的数据参考，这对于铸
铝构件的安全应用是迫切需要的。目前，关于铸造铝合金疲劳性能的研究仍集
中在单轴加载上，为了给铸铝构件的应用提供更为全面、可靠的理论依据和数
据积累，开展铸造铝合金材料的多轴非比例加载低周疲劳特性及其微观机理的
研究具有重要的理论意义和工程应用价值。鉴于上述原因，本文采用宏观与微
观试验相结合的方法，系统地开展了ZL101铸造铝合金的多轴非比例加载低周
疲劳特性及微观机理的研究，主要内容如下：
(1)对ZL101铸造铝合金进行了单轴及多轴非比例加载低周疲劳试验，重
点分析了等效应变幅值和应变路径对材料多轴非比例加载低周疲劳特性及疲劳
寿命的影响。研究表明：随着等效应变幅值的提高，材料的循环硬化程度增大，
在非比例加载下，材料还产生程度较轻的附加强化；疲劳寿命随等效应变幅值
的增大而降低，且在相同的等效应变幅值下，材料的非比例加载低周疲劳寿命
显著低于单轴或比例加载的疲劳寿命；在不同的非比例应变路径下，材料的循
环硬化程度、附加强化程度以及疲劳寿命均表现出对应变路径的依赖性。
(2)利用扫描电子显微镜及金相显微镜观察了ZL101铸造铝合金的疲劳断
口，着重分析了材料低周疲劳裂纹的萌生与扩展方式。研究发现：ZL101铸造铝
合金低周疲劳裂纹的萌生与扩展均与共晶硅相有密切联系；共晶硅颗粒的断裂
是疲劳微裂纹萌生的主要方式；在循环初期，疲劳微裂纹的扩展主要通过临近
已断裂的共晶硅颗粒相互连接进行，长大后的微裂纹以穿过α-Al基体互相连接
的方式形成贯穿性的主裂纹，并最终导致材料的破坏；疲劳条纹和α-Al基体的
穿晶断裂是疲劳断口较为明显的特征。
(3)利用透射电子显微镜观察了ZL101铸造铝合金多轴非比例加载低周疲
劳的位错结构，分析了等效应变幅值和应变路径对位错结构的影响。结果表明:
在多轴载荷下，随等效应变幅值的提高，材料的位错结构发生从交叉位错带向
位错胞结构的转化。但与比例加载相比，非比例加载方式使材料在更低的等效
应变幅值下便可形成胞状位错结构。等效应变幅值的增加和非比例加载方式均
有利于材料形成胞状位错结构特征。ZL101铝合金组织结构的均匀程度较差，缩
小了位错自由运动的空间是材料在等效应变幅值较低时难以形成胞状结构的主
要原因。
(4)基于ZL101铸造铝合金的低周疲劳宏观、微观试验结果，重点分析了
ZL101铸造铝合金在多轴加载条件下循环变形行为的微观机理，并对材料多轴非
比例加载低周疲劳寿命显著降低的原因给出了微观解释。分析表明：在不同的
应变路径下，断裂硅颗粒的增长速率依赖于应变路径的变化，导致疲劳微裂纹
的萌生速率及扩展速率表现出对应变路径的依赖性，这是材料的非比例加载低
周疲劳寿命依赖于应变路径的主要原因；而在多轴非比例加载下，断裂共晶硅
颗粒的快速增长及断裂方式上的多样性是造成材料在相同等效应变幅值下多轴
非比例加载低周疲劳寿命显著低于单轴及比例加载低周疲劳寿命的主要原因。
(5)利用ZL101铸造铝合金的疲劳试验结果，验证了常用的多轴非比例加
载低周疲劳寿命估算公式，并根据材料的多轴低周疲劳的微观机理，考虑应变
路径和附加强化的影响，对基于临界面法的疲劳寿命估算公式进行了修正，得
出的公式适用于ZL101铸造铝合金的多轴非比例加载低周疲劳寿命的估算，丰
富了现有的多轴非比例加载低周疲劳寿命估算公式。
关键词：铸造铝合金，多轴疲劳，非比例加载，疲劳特性，共晶硅
3.期刊论文 周敬恩.冉广.ZHOU Jing-en.RAN Guang A356铸造铝合金的疲劳裂纹萌生及短裂纹扩展研究 -金属热处理2008,33(1)
研究了A356-T6铸造铝合金的缺口疲劳裂纹萌生与早期扩展行为及机制.结果表明,热等静压试样的疲劳抗力优于非热等静压试样.对于钝缺口试样,疲劳裂纹萌生于缺口根部附近的多个平面,最终哪个裂纹源扩展成主裂纹取决于局部微观组织.对于缺口几何形状不同的热等静压和非热等静压疲劳试样,在疲劳过程中,不管是在高应力状态下,还是在低应力状态下,都出现了铝基体的循环塑性变形和共晶硅粒子断裂导致疲劳裂纹萌生.对于非热等静压试样,铸造缩孔在构件的疲劳过程中起着重要作用,但即使缺口根部存在较大尺度的铸造缩孔,导致了疲劳裂纹萌生,但也同时观察到疲劳裂纹从共晶硅粒子、金属间化合物、铝基体的滑移带和铁基金属间化合物等处萌生.对于脆性的A356铸造铝合金可采用修正的断裂力学参量ΔKn、局部应力范围Δσ或局部应变幅Δε/2作为控制参量来表征疲劳裂纹萌生行为,而缺口有效应力强度因子范围ΔKneff和ΔJs参量可用来表征缺口场中短裂纹扩展行为.
4.期刊论文 张德恩.卢锦德.张晓燕.ZHANG De-en.LU Jin-de.ZHANG Xiao-yan 新型高强度铸造铝合金的微观组织及结构研究 -轻金属2009(7)
研制了一种新型高强度铸造铝合金,并对该合金的热处理工艺与其微观组织及结构进行了研究.结果表明,该合金在550℃/10h、150℃/12h进行固溶和时效处理,可析出大量的条状θ″相和少量的片状θ′相,使合金具有较高的强度和韧性,抗拉强度σb达到479Mpa,延伸率δ5达到5.0%.
5.期刊论文 周龙早.刘顺洪.黄安国.李志远 铸造铝合金激光表面合金化的研究 -激光技术2004,28(6)
将Ni-Cr合金粉末用有机粘接剂调成膏状涂在铸造铝合金ZL108基体上,然后采用CO2激光进行激光表面合金化处理.通过选择合理的工艺参数,在基体表面获得冶金结合性能良好的合金化层.利用光学显微镜、扫描电镜、能谱仪、X射线衍射仪对合金化层的显微组织结构进行详细的研究.结果表明,合金化层由Ni-Al金属间化合物组成,并且呈点状、弥散分布在Al-Si共晶基体上.合金化层的显微硬度可达到230HV左右,比基体材料提高大约3倍;耐磨性比基体提高2倍左右.
6.学位论文 周建军 铸造铝合金硬质阳极氧化工艺研究 1999
铝-硅铸造铝合金是应用最为广泛的铸造铝合金,在机电、汽车工业中都有着广阔的市场前景,但一直由于硬度低和耐磨性差而目前无法在很多场合应用.对铸造铝合金进行硬质氧化,表面获得一层50μm以上高硬度的膜层,极大的提高了基体金属的表面性能.因此进行铸造铝合金硬质氧化工艺的研究具有十分重要的意义.该文采用直流叠加脉冲电源研究了铸造铝合金ZL108的硬质氧化过程.对槽液成分、电源波形、工艺操作条件以及材料的热处理过程的影响进行了分析,并对相关的机理进行了探讨.实验研究表明:槽液成分为硫酸:141.4g/l,草酸
:8g/l,添加剂L,电源的直流脉冲比为1.0:1.3时,在适当的其它操作条件下可以生成硬度较高的膜层;氧化膜的性能与材料的热处理过程有关,基体金属强度越高,氧化后膜层的硬度越高,而且对氧化后的膜层进行热自理能够提高膜层硬度.机理研究及分析表明:合金中的第二相成分在直流叠加脉冲条件下能够完好地包融在膜层中;硬质氧化膜的生成机理不同于普通阳极氧化膜的生长,多孔层是由铝离子越过阻挡层而在阻挡层/多孔层界面直接反应生成的.
7.期刊论文 张林和.周华 新型耐蚀铸造铝合金Al-2Mg-3Si热处理制度研究 -铝加工2002,25(4)
主要介绍了不同的固溶和时效处理制度对新型耐蚀铸造铝合金力学性能、耐蚀性能的影响,通过对金相组织观察和能谱分析,结合相图进行了讨论,指出Mg2Si相的充分固溶和均匀析出是决定Al-2Mg-3Si台金综合性能的关键因素,并根据材料实际应用情况最终确定了该新型耐蚀铸铝的热处理制度.
8.会议论文 周龙早.刘顺洪.黄安国.李志远 铸造铝合金激光表面合金化的研究 2006
将Ni-Cr合金粉末用有机粘接剂调成膏状涂在铸造铝合金ZL108基体上,然后采用CO2激光进行激光表面合金化处理.通过选择合理的工艺参数,在基体表面获得冶金结合性能良好的合金化层.利用光学显微镜、扫描电镜、能谱仪、X射线衍射仪对合金化层的显微组织结构进行详细的研究.结果表明,合金化层由Ni2Al金属间化合物组成,并且呈点状、弥散分布在Al2Si共晶基体上.合金化层的显微硬度可达到230HV左右,比基体材料提高大约3倍;耐磨性比基体提高2倍左右.
9.期刊论文 郑亚虹.李德成.李建国 含钪铸造铝合金组织和力学性能的研究 -铸造2004,53(4)
试验了含钪铸造铝合金的熔炼工艺和热处理工艺,分析了合金的化学成分,观察了合金的金相组织,测试了合金的力学性能.结果表明,熔炼和热处理工艺合理,含钪铝合金具有较高的综合力学性能,远超过2A16变形铝合金标准的要求.
10.学位论文 李巨文 高强度铸造铝合金ZL107A的研究 1999
该课题是"红旗九号"导弹系统攻关项目之一--红九导弹轨用高强度铸造铝合金ZL107A的研究.在ZL107的基础上添加少量的Mg、Zn、Cd、Be等合金元素,通过试验分析确定了ZL107A的成分范围,用Ti、B复合盐细化组织,用Na三元变质剂变质处理,用六氯乙烷精炼合金,获得的合金典型力学性能为
:σ<,b>=420MPa~470MPa,σ<,0.2>=325MPa~390MPa,δ<,5>=4﹪~6﹪,HBS=145.在合金定型的基础上,为了进一步改善合金的性能,对比试验了Ag和Cd在ZL107A中的作用,考察了Na和Sr对ZL107A的变质效果,分析了合金的相组成,研究确定了ZL107A的固溶、时效工艺,实验测定了ZL107A的流动性,自由线收缩率和热裂倾向,设计了合理的铸造工艺,成功地将ZL107A应用于红九导弹导轨高强度铝合金铸件的批量生产.
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下载时间：2011年2月28日
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