过共晶铝硅合金的研究及应用

汽车工艺与材料

文章编号：122345516782219124228142:

过共晶铝硅合金的研究及应用

赖华清，范宏训，徐

（湖北汽车工业学院，湖北

祥

十堰$$!""!）

摘要：综述了铝硅合金的化学成分、金相组织及性能特点，介绍了该合金变质工艺的研究应用概况及其机理。

关键词：过共晶铝硅合金；活塞；性能特点；变质工艺中图分类号：!"#"$%&&$%$’"

文献标识码：(

1前言

迄今曾经使用较多的铝活塞材料大致有四类：

在合金中形成()%&!、./!0,及%&!()./等强化相，

进一步提高合金的常温、高温性能。铜和镁的总量应控制在!6左右，铜量过高会使合金的线膨胀系数增加、密度增大、耐蚀性降低。镍加入合金中形成%&;+,及%&4+,<=等难溶相，能提高合金的高温强度和热稳定性。但镍在国内属于稀缺资源，价格昂贵。我国稀土资源丰富，加入稀土能生成%&3()$(=、还能细化组织，起到取代镍%&!$()3(=;.>等热强相，的作用，稀土加入量一般在#?@6以内。为进一步改善合金性能，有时还在合金中加入微量的钛、铬、钴和锰等合金元素。国内外常用的过共晶铝硅合金的化学成分见表#。

共晶型%&’%&’()’*+,-’./系、%&’()’0,系、0,’()’./系及过共晶型%&’0,’()’./系，前

两类由于存在线膨胀系数大、密度大、体积不稳定的缺点早已被淘汰，目前国内使用的铝活塞材料主要是共晶型铝硅合金，如12#"3*1%&0,#!()!./-、12#"4*1%&0,#!()#./#+,#-。随着发动机性能的不断提高，共晶型铝硅合金已越来越难以达到使用性能要求。过共晶型铝硅合金含硅量高达#567

因而合金密度减小，线膨胀系数降低，抗磨性!86，

及体积稳定性相应提高，是理想的活塞材料。国外已将此材料广泛用于活塞生产

9#、!:

，随着高功率及

3过共晶铝硅合金的组织和性能

增压内燃机的出现，国内也有少数单位开始应用9!:。

8过共晶铝硅合金的化学成分

过共晶铝硅合金按含硅量可分为三组，!组含

过共晶铝硅合金的铸态组织主要由大块初晶

硅和共晶体（组成，此外还有因不同的合金!A0,）元素而形成的金属间化合物强化相，如()%&!、./!0,、%&!()./及富铈的热强相等。

未经过变质处理的过共晶铝硅合金机械性能很低，不能满足活塞的使用性能要求。经过适当的变质处理后，合金的常温及高温机械性能均可大幅度提高。表!列出了几种过共晶铝硅合金与共晶铝硅合金的性能对比，从表中数据可以看出，在成分选择合适并经变质处理的条件下，过共晶铝硅合金的常

硅#567#46；"组含硅!"67!;6；#组含硅

、两组有一定的塑性、铸造性能尚!$67!86。!"可，使用较多；耐磨性和#组虽然热膨胀系数更低、耐蚀性更好，但由于脆性大、结晶温度范围宽、铸造性能差以及难以切削加工的原因，除用作高速摩托车或赛车的活塞外，一般很少使用。加入铜和镁能

收稿日期：!""#’"$’!8

作者简介：赖华清*#48$’-，男，湖北汽车工业学院材料工程系副教授，铸造教研室主任，#433年华中理工大学硕士研究生毕业，主要研究方向为铝硅合金变质工艺及钢质液态模锻工艺。

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赖华清等：过共晶铝硅合金的研究及应用

表#

合金牌号4>A+

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国内外常用的过共晶铝硅活塞合金的化学成分

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其他————?FP%+B!?FP%+B!?FPJ+B)?FPJ+B),QP+B!*!?FP+B!?FP+B!,R：+B>*+B),Q：+B7,Q：+B7———ST：$*$B)

表$

线膨胀系数5$+6789!!B>*!!BC

$CB)*$%B)$C*$A$CB)>$AB)

几种过共晶铝硅合金与共晶铝硅合金的性能对比

抗拉强度:’;常温$A7*!A+$CC*!$7$CC*!$7$C7*!$7!))*!C/

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伸长率&—+B$*+B)+B$*+B>+B)+B!*+BC

布氏硬度<="$++*$!+A+*$!)A+*$!)$$+*$>+$++*$/+

合金?@$+AD"!%+D"!%!C76$426$%"#

温性能接近于共晶合金，高温性能超过共晶合金。由于初晶硅析出时会放出大量的结晶潜热，常用的过共晶铝硅合金（、两组）比共晶铝硅合金具!"有更好的流动性，但"#含量大于$%&以后流动性也会开始下降。随着硅量的增加，合金的线收缩率减小，耐磨性增加，但结晶温度范围增大，合金的缩松倾向增大，气密性降低，同时硬质点的初晶硅体积分数增加，切削加工时会使刀具容易磨损。

!"#初晶硅的变质

细化初晶硅的方法有超声波振动、旋转磁场搅

拌、快速凝固法、加压铸造法（如挤压铸造）等，虽然能取得一定效果，但这些方法在生产上都受到一定限制，最有工业使用价值的还是加入变质剂。目前细化效果最好、应用最为广泛的是’类变质剂。最早使用的是赤磷，虽有较好的细化作用，但细化处理时燃烧激烈，产生大量有毒的’!()烟雾，污染环境。同时赤磷燃点低、储运也不安全，因此已逐渐被淘汰。含铜的活塞合金常采用磷铜中间合金变质，中间合金的成分为：余为,-。加入前先破碎成%&*$+&’，一定块度后当场使用，以防止其表面氧化，加入量占合金质量的$&左右./0。另外，还可以采用磷的化合物来变质初晶硅，如’1,2!、但这些’!()342’(/等，变质剂或有毒性，或变质效果不稳定，实际生产中很少使用。近年来国外有报道用粉末冶金方法压制成

汽车工艺与材料

!过共晶铝硅合金的变质处理

未经过变质处理的过共晶铝硅合金中存在粗大

块状初晶硅和粗大长针状共晶硅组织，使基体严重割裂，恶化机械性能，同时切削加工性能也很差，这也是过去这种合金应用受到限制的主要原因。解决这一问题的关键在于如何对合金进行变质细化处理，这也是人们研究这类材料的重点。!!

赖华清等：过共晶铝硅合金的研究及应用

型的%&’(’)*中间合金作变质剂

+,、-.

。与上述几种

加磷方法相比，具有加入量少、磷回收率高、处理工艺简便、变质效果稳定、无污染等优点，缺点是该中间合金制备工艺复杂，成本高，推广应用还受到限制。最近国内已有研究者用熔铸法成功地制备了%&’(’)*中间合金+/.0并用其对%&’#1234合金

和%$5"合金进行处理。结果表明，熔铸法制备的%&’(’)*中间合金变质效果明显优于磷铜中间合金。今后应进一步加强这方面的研究和应用推广工作。能对初晶硅产生变质作用的元素还有67、3、

且有较%8、9:等，%8、9:对初晶硅的作用效果很弱，大的毒性，因而没有使用价值。稀土是我国富有资源，人们对其变质作用做过大量的研究工作，但重点主要放在共晶合金的研究上。单独用稀土来变质过共晶铝硅合金的应用还较少，原因是稀土对初晶硅的作用效果要弱于磷，但稀土能同时变质初晶硅和共晶硅，是一种很好的双重变质剂，生产上常将67、3与磷复合作为双重变质剂使用

!"#初晶硅和共晶硅双重变质

+1.

#1"B#5"I(<。成都内燃机配件厂配制的磷硫复合变质剂用于生产多种过共晶铝硅合金活塞，能满足批量生产的要求，效果良好

+#".

。湖南大学研制的

加入量为#2左右，变36’1#$强效硫磷变质剂+##.，

质温度为液相线以上#,"H，是一种变质效果稳定、操作方便的双重变质剂。最近上海交通大学采用镧、钇稀土变质%&’!!A1234合金+#!.，发现仅仅加入镧、钇不能细化初晶硅，但在(细化初晶硅的基础上，镧、钇稀土可进一步促进细化初晶硅，并实现初晶硅和共晶硅的双重变质。加入量为"A"-2(、初晶硅可细化至!!!C左右，共#A"2J<、"A#12K，

晶硅呈珊瑚状。寻找效果稳定、工艺简便、价格低廉、污染小的双重变质剂仍会是今后过共晶铝硅合金的研究方向之一。!"$

变质机理

变质机理的研究和探讨，对开发新的变质剂和变质工艺有现实的指导意义，因而备受人们重视。(的变质机理人们观点比较一致，即认为(与铝液生成%&(化合物，这种化合物熔点#"""H以上，晶格

’

类型与初晶硅相同，晶格常数也相近（34为,A@$%，

’

%&(为,A@-%）0%&(起到34的异质核心作用而使初晶硅得到细化。关于稀土的变质机理则比较复杂，人们在其变质机理上有分歧。一种观点提出干扰原子团理论，认为稀土加入减弱了34’34、34’%&原子团之间的结合而加强了%&’%&原子团的结合，导致共晶结晶时，!’%&首先成核而硅相过冷，!’%&作为领先相首先析出并长大，从而限制了共晶硅的生长。但这一观点认为稀土对初晶硅的影响很小。另有观点认为稀土变质的主要作用是由于稀土元素J<、):等在凝固界面的富集作用而导致结晶前沿形成成分过冷，从而使硅晶生长易于分枝，初晶硅、共晶硅得以细化+#$.。有关稀土变质的机理还有待于进一步研究，基于我国稀土资源丰富，深入研究并大力推广，具有很大实际意义。

。

磷细化处理只能细化初晶硅，不能同时细化共晶硅。近年来出现了能同时细化初晶硅和共晶硅的双重变质工艺方法，能进一步改善合金的机械性能，使合金的优越性得以充分体现。用磷和其他元素复合变质是当前研究的热点。;<、3=是常用的共晶硅变质元素，但多数研究结果认为这些元素不能与(复合形成双重变质作用，原因是这些元素与(同时加入铝液后会生成稳定的;<$(、3=$(!等化合

物，变质作用相互抵消。但也有人持不同观点，日本

相当于"A$2;<和学者用!2的;<>$(?@ >!?（

加入含硅!,2的铝液中+@.，在!"B-"C4D"A@2(）

内达到了双重变质效果；用复合变质剂1"2加入量为!A,2，同;<(?$E#"2F!?,E#"2%&!?$，

时加入#A@23=G!，合金组织也获得了双重变质效果。这些方法能够成功的解释是加入量比单独变质时稍多，从而(与;<和3=生成化合物后尚有剩余，

实现双重变质。上述方法由于处理工艺要求严格，如加入比例、加入顺序、保留时间等，在实际生产中一般难以保证变质效果。67、3与(复合不会产生相互干扰现象，且67、3本身又有双重变质作用，67、3与(构成复合变质剂具有较好双重变质效果。笔者曾用"A,2的(’)*与#2的67复合对%&’#12

变质温度为1!"B1@"H，变质34合金进行变质+5.，

后初晶硅尺寸可降至!"B$"!C，抗拉强度可达到

!""##"%结束语

活塞是汽车发动机中传递能量的一个非常重

要的构件，过共晶铝硅合金具有密度小、导热性好、热膨胀系数小、耐磨、耐蚀、尺寸稳定性好等特点，合金的机械性能和切削加工性能可以通过变质处理来改善，非常适宜用来制作发动机活塞。但目前国内活塞材料还是以共晶型铝硅合金为主，随着汽车产品向高速度、低能耗方向发展，采用更为合理

—!$—

赖华清等：过共晶铝硅合金的研究及应用

的活塞材料势在必行。科技工作者应进一步加强过共晶铝硅合金的研究开发工作，争取在国内早日实现这种新型活塞材料的广泛应用。参考文献

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5责任编辑

方舟C

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材料技术第一，从均质材料向复合材料发展。以前人们只使用金属材料、高分子材料等均质材料，现在开始越来越多地使用诸如把金属材料和高分子材料结合在一起的复合材料。

第二，由结构材料为主向功能材料、多功能材料并重的方向发展。以前讲材料，实际上都是指结构材料。但随着高技术的发展，其他高技术要求材料技术为它们提供更多更好的功能材料，而材料技术也越来越有能力满足这一要求。所以现在各种功能材料越来越多，终会有一天功能材料将同结构材料在材料领域平分秋色。

第三，材料结构的尺度向越来越小的方向发展。如以前组成材料的颗粒尺寸都在微米5NAA万分之一米C级，现在致力于研究向纳米级方向发展的材料。由于颗粒极度细化，使有些性能发生了截然不同的变化。如以前给人以极脆印象的陶瓷，居然可以用来制造发动机零件。

第四，由被动性材料向具有主动性的智能材料方向发展。过去的材料不会对外界环境的作用作出反应，守全是被动的。新的智能材料能够感知外界条件变化、进行判断并主动作出反应。

第五，通过仿生途径来发展新材料。生物通过千百万年的进化，在严峻的自然界环境中经过优胜劣汰，适者生存而发展到今天，自有其独特之处。通过“师法自然”并揭开其奥秘，会给我们以无穷的启发，为开发新材料又提供了一条广阔的途径。

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