引言
铸造铝硅合金获得了广泛应用，亚共晶铝硅合金以A356铝合金为代表，具有铸造性能优异、流动性能好、收缩率小、热裂倾向小、质量轻和回收率高等优点，主要用于汽车和摩托车轮毂的制造。过共晶铝硅合金具有耐磨性、耐热性、耐腐蚀、热膨胀系数小和体积稳定性好等特点，是制造气缸和活塞的理想材料。若对合金直接进行铸造使用，会因为内部晶粒分布不均匀导致性能很差，无法达到正常使用的标准。经过元素调控和热处理可以改变组织，获得更为优异的性能。文中详细介绍合金元素对铝硅合金组织与性能的影响、铝硅合金热处理的强化机制和热处理工艺。
1、铸态铝硅合金的组织与性能
铸态铝硅合金主要由α-Al枝晶和粗大的共晶硅组成，对于过共晶铝硅合金来说除此之外还有初生硅，其中α枝晶形状为椭圆形树枝状。对于大块多角形的初生硅，颗粒尺寸越大、形状越不规则，则强度越低，易在拉伸过程中优先开裂。黄彩敏等人发现高温铝液在冷却凝固成型时由于局部存在温度梯度，冷却速度不同导致铸态A356合金枝晶间出现成分偏析，同时其基体还存在疏松、孔洞、夹杂、缩孔和氧化膜等缺陷。未变质的A356合金中共晶硅呈粗大针片状。Mg2Si是析出强化相，但是铸态中Mg2Si相数量少且小，不易被发现。铸态A356合金拉伸断口形貌中出现大量平滑的准解理面，而局部区域夹杂着大小不等的韧窝，其中大部分韧窝小而浅，数量相对较少，合金表现为这种解理面特征的原因是共晶硅与基体结合处会产生裂纹，不断扩大后分布在共晶区域中;Yifan Wang等人发现Al-7Si-0.6Mg界面Al和Si原子之间形成共价键，共价键对界面结合强度起关键作用。根据Griffith断裂理论，裂纹首先在Al析出相内部形成和扩展，界面可作为防止裂纹扩展的保护层。楼华山等人通过铸态A356铝合金的断口发现，当裂纹扩展遇到共晶硅阻碍时，裂纹将会截断共晶硅颗粒，随着小裂纹的长大并连接在一起形成长裂纹，接着裂纹扩展并遵循能量消耗最小原则，沿着晶界结合力最薄弱的部位(层片结构)贯穿传播，最终表现为脆性断裂。同时S.Samat等人发现塑性的降低与有害的针状β-AlFeSi金属间化合物的微观组织特征和凝固过程中微观孔隙的存在有关。对于过共晶铝硅合金，粗大的初生硅作为硬质点可以提高合金耐磨性，但因其硬而脆，割裂基体严重，故使合金的力学性能降低，加工性能变差。
2、合金元素对铸造铝硅合金的组织与性能影响
添加合金元素是改善铝硅合金组织和性能的重要途径，铝硅合金中常添加的元素有Mg、Cu、Mn、Sr和RE等。
Mg元素能固溶到α-Al中引起晶格畸变，起到固溶强化作用，同时Mg与Si生成Mg2Si相，其为强化相，使合金硬度提高。铝硅合金中Cu含量达到2.5%，Al2Cu相的数量增多，分布于α-Al和共晶硅的界面，起到强化作用，但是强化相粗大的形貌和分布的不均匀性使得合金伸长率下降。Mn可以使铝硅合金中初生硅数量减少，尺寸减小，共晶硅变为更为短小的针状组织。含Mn过共晶铝硅合金在均匀化过程中会析出含Mn的弥散相颗粒，具有高密度和高热稳定性，细化再结晶晶粒，同时也会成为时效强化相的形核核心，对合金的力学性能和加工性能有重大的影响。Sr能使共晶Si相的形态由针状变成纤维状;复合添加Mn、Sr元素后，铝硅合金中AlFeSi相均匀分布于α-Al枝晶中，Mn对针状Fe相形态的改善作用要比Sr的大。一定量的Ba对ZL109中共晶硅有良好的变质作用，同时具有良好的抗变质衰退能力和重熔特性，变质后的合金可获得较高的强度;但当Ba含量超过0.125%，组织中出现了少量针状相，性能也相应降低。随Fe含量增加，A356铝合金中富铁相尺寸增大，形貌从骨骼状转变为针状，合金的抗拉强度下降，高铁铝合金铸件中大片状富铁金属间化合物颗粒促进了疲劳裂纹的萌生，是裂纹源的来源之一，然而Fe含量增加会使合金的高温短时抗拉强度增加。Sb加入A356变质后，增加了合金的致密度，且变质效果具有长效性;Zr可以有效细化晶粒和抑制再结晶。Zn元素加入到一定量可使变质铝硅合金的组织内形成共晶团，随Zn量增高合金的硬度增大，伸长率减小。在过共晶铝硅合金中加入磷盐，形成A1P异质核心，初晶硅尺寸减少，形状从板块状变成多角形或者团块状，磷盐-锶盐复合变质的过共晶铝硅合金具有良好的力学性能、耐磨性和铸造性能。
Nd可以使Al-Si合金中α-Al基体细化，但是当Nd含量过多时，合金中出现了富稀土相，其力学性能显著降低。Gd可以细化A357合金的晶粒并减小二次枝晶间距，也可以有效地细化合金中的共晶硅，合金的力学性能有了显著的提高。Ce可以细化铝硅合金晶粒尺寸，当Ce含量为1%时，晶粒尺寸最小，与原铝硅合金相比，平均晶粒尺寸由80～100 μm减小到25～50 μm，共晶硅尺寸显著减小，弥散程度增高。不含Ce铝硅合金断口为片层组织，发生脆性断裂;含Ce铝硅合金断口出现韧窝组织，发生混合型断裂。La可以使共晶硅由片状和针状变为点状和短棒状，能细化初生硅达到了变质的效果。P-RE复合变质使Al-20Si合金中共晶硅和初晶硅颗粒的细化，明显提高了合金强度、塑性、冲击韧度。在铸造铝硅合金中，随RE元素加入量的增加，合金的强度、塑性均显著提高，但过多的加入量会使合金形成大量的AlxV3CuRE化合物，反而会导致铸造铝硅合金的力学性能恶化。
3、热处理对铸造铝硅合金的组织与性能影响
铸造铝硅合金的热处理主要包括固溶处理和时效处理，热处理不会改变材料的外部形状与整体化学成分，而是调整材料的内部组织，从而提升材料的使用性能。热处理对α-Al的影响在于α-Al基体内合金元素的固溶及强化相的析出。
3.1 固溶处理
铝硅合金固溶处理的目的是使Mg和Si充分溶入到α-Al基体中，为后续时效析出更多的强化相提供了准备条件;另外，使共晶硅相形态由纤维状向粒状转变，以此来提升合金的力学性能。
3.1.1 固溶处理对铸造铝硅合金组织的影响
当固溶温度一定时，随固溶时间的延长，铸造合金中的初生Mg2Si颗粒溶解越多，Si与Mg等元素扩散越充分，α-Al基体越容易达到饱和状态。铝硅合金在固溶过程中，共晶硅的一些部位，如表面凹陷等部位在热作用下，率先发生缩颈，开始分解和断裂。随着固溶处理时间的进一步延长，共晶Si颗粒的球化程度越高，硅的尺寸越小，数目越多，共晶Si颗粒的面积分数显著降低。同时在变质的A356铝合金中也发现了共晶硅的球化，并且比未变质的合金球化更明显。但是固溶时间过长，晶粒长大，合金发生一定程度的软化，同时引起共晶Si长大聚集。因此固溶时间的选择，首先要保证强化相充分溶入，得到最大的过饱和度，同时尽量避免共晶硅长大。对于过共晶铝硅合金，当固溶温度及保温时间合适时，合金中初生硅的分布均匀性较好且其形状接近于圆形。
3.1.2 固溶处理对铸造铝硅合金性能的影响
对于固溶处理后的合金硬度来说，溶质原子的影响是非常大的，当固溶时间过长时，合金加热后基体中过饱和固溶原子在热激活作用下脱溶析出，减弱过饱和固溶原子对基体的固溶强化作用，使基体的硬度略有降低。固溶时间对强度和伸长率均有显著的影响，这与固溶过程中硅相形貌发生改变有很大的关系。曹国剑等人研究固溶处理对4004铝合金的影响时发现，当固溶时间较短时，共晶Si还没完全溶断，使得合金的伸长率较低，且合金元素并未完全溶解，使得时效后合金中析出的强化相减少，合金强度减弱;但是固溶时间过长时，粒化的共晶Si会随保温时间延长而粗化，表现为块状、角状特征，对基体产生割裂作用增强，使合金的强度和伸长率降低，共晶Si颗粒的细化和均匀分布有利于提高Al-Si合金的伸长率。因此，选择合适的保温时间，是固溶处理中很重要的环节。除了固溶时间外，固溶温度的选择也对固溶处理的效果有很重要的影响，随着固溶温度的升高，强化相溶解，基体中强化相元素浓度升高，共晶硅尺寸减小，合金的力学性能逐渐提升，但当固溶温度过高时，共晶Si出现了粗大、偏聚等现象，同时此现象随固溶温度的升高越发明显，从而引起合金力学性能下降，所以合适的温度对于固溶处理来说也很重要，固溶温度的选择一般低于固相线温度10～15 ℃。姚衡等人研究含钪铝硅合金时，发现硅相硬而脆，当其细密分布时，α相的变形受到较大的限制而使硬度升高;但是随着固溶温度升高，合金中共晶硅粗化，对基体变形的约束力下降，α相的变形较容易，故合金的硬度逐渐降低。常芳娥等人研究热处理对无凝固收缩铝硅合金的影响时发现，随固溶温度的升高硬度先增大后减小，当固溶温度超过一定值后，组织发生局部过烧，使合金硬度下降。
3.2 时效处理
铝硅合金时效的目的是：①使Mg2Si均匀析出;②使组织均匀化，消除内应力;③提高切削加工性能。
3.2.1 时效处理对铸造铝硅合金组织的影响
A356铝合金中主要强化元素是Si和Mg，由于Mg2Si与基体非共格，不能直接析出，所以强化相的析出是有过程的，沉淀相析出时序为：过饱和固溶体(→GPⅠ(Mg/Si原子团簇)→GPⅡ(Mg5Si6过渡相，形成溶质原子偏聚区，随后结晶点阵畸变程度不断增大，形成了共格应变区域，提高了合金的强度及硬度)→β''相(Mg9Si5亚稳相，随着该区畸变程度增加，其时效强化作用也就越大)→β相(Mg2Si稳定相，有自己独立的晶格，畸变消失，强度下降)，其中β'相可视为是在β''相基础上Mg、Si原子继续富集而形成的。析出相增大长径比可以提高材料的强度，因为当大长径比的沉淀被剪切时，额外的能量被消耗在新界面的产生上。铝硅合金时效时，GP区和亚稳相的形成是部分重叠、交叉进行的。时效处理后析出强化相Mg2Si的形貌和数量也发生了显著的变化，该现象主要受时效时间和时效温度的影响。通过透射电镜可以看出，时效时间较短时，析出相多呈现出一种细长短杆状，数量较少;随着时效时间的增加，时效后第二相强化相析出数量增加，弥散分布;进一步增加时效时间，平衡相相互聚集，粗化。提高时效处理温度，析出相开始由长杆状转变为球状，部分球状析出物是直接由基体中析出的，随着时效温度的继续升高，长杆状析出物基本消失，球状析出物有进一步长大的趋势。
3.2.2 时效处理对铸造铝硅合金性能的影响
适当的时效处理温度和时间可以显著改善组织的均匀性及析出相的形态，从而提高合金强度，但过高的温度或过长的时效时间反而会降低合金的强度。
在影响A356铝合金力学性能的因素中，时效时间对抗拉强度、屈服强度、伸长率影响最大，且这些性能的大小都是随着时效时间的增加先上升后下降。当时效时间过长时，晶粒明显粗化，晶粒的粗化与形状改变直接降低了材料的硬度，其次时效时间过长形成连续粗大的脆性Mg2Si相，也使得合金力学性能下降。析出相Mg2Si为硬而脆的金属间化合物，能有效钉扎位错，稳定亚结构，阻止晶界滑移，使强度、塑性、韧性和硬度得到良好配合，同时升高了基体再结晶温度，从而抑制了再结晶;除此之外，还提升了基体的强度。时效后的铸造铝硅合金产生的稳定的沉淀硬化相不会重新溶入基体，阻止了位错的长程运动，因此提高了合金的热疲劳抗力。合金的疲劳性能主要受Si颗粒的形貌和尺寸的影响，而这两者都是通过调节热处理来控制的。采用热处理的合金由于具有大量细小的Si球化，具有优异的疲劳性能。细小的硅颗粒存在于细胞结构中，它们可以通过改变扩展方向来限制疲劳裂纹的扩展，延缓疲劳断裂，低压铸造A356铝合金双级时效后的拉伸断口韧窝更小，小韧窝被更为细小的韧窝所分割，韧窝边缘并没有大韧窝出现，其均匀性好于T6热处理后的拉伸断口。因此，双级时效后合金的伸长率比T6工艺的更为优异。T6处理后A356合金的断口表面混杂有解理面和一些韧窝，易形成脆性裂纹存在，这是由于团聚颗粒与基体结合较弱，在界面处断裂造成的。对于过共晶铝硅合金而言，时效温度影响着合金元素的边界溶解及扩散程度，随着时效温度的增加，合金元素的边界溶解及扩散加快，从而有利于改善合金的力学性能。适当的时效处理工艺会提高合金的耐磨性能。孙瑜等人研究热处理工艺对锶变质近共晶Al-Si铸造合金的影响发现，时效处理会降低材料的塑性。刘扭参等人发现时效处理会改善Al-20%Si合金的冲击韧度，这与初晶硅、共晶硅形状的改变以及基体的强化有关。
4、结语
随着科技的发展以及对铝硅合金性能要求的提高，现阶段的合金元素对合金组织的调控及固溶时效热处理存在着一些问题，如稀土元素成本过高、稀土元素利用率低、热处理成本高、加工效率低、时间长、强度和塑性很难做到有机统一提高。在未来的固溶时效热处理的发展趋势中，短时、高效、低成本、强度与塑性有机统一提高，控制稀土元素的加入量、固溶时Si相的形貌与尺寸，以及时效时Mg2Si强化相析出的速度、尺寸与数量将成为未来合金元素调控及固溶时效热处理工艺发展的方向。
