原標題：一種壓鑄用高強Al-Si-Mg合金的組織及力學性能

摘要：設計、開發出一種新型壓鑄用Al-Si-Mg-Cu合金，并對該合金的壓鑄件進行了自然時效和在不同溫度下人工時效處理試驗。通過力學性能測試和金相觀察，分析了合金元素及時效處理對合金性能的影響。結果表明，提高壓鑄鋁合金中的鎂含量和增加一定量的Cu、Zn、Ti等元素，并通過Sr變質處理和時效處理后，合金的抗拉強度和斷后伸長率均有較大提高。進行成分優化后的合金的鑄態抗拉強度可超過310MPa，伸長率最大可以達到5.9%。成分一定時，人工時效對合金的抗拉強度及伸長率均有提升，當時效溫度在140～170℃范圍內升高時，抗拉強度及伸長率均呈下降趨勢；在140 ℃低溫時效8h后，材料具有較好的綜合力學性能，抗拉強度平均可達到377.08 MPa，伸長率平均可達3.42%。

近年來，由于壓鑄技術的不斷提高及汽車輕量化的要求，基于效率、成本、精度、質量及力學性能的綜合考慮，越來越多的汽車零部件采用鋁合金壓鑄成形，如汽車發動機缸體、凸輪軸支架、輪轂、變速箱殼體等。隨著壓鑄工藝的不斷發展，對具有優良綜合性能的壓鑄合金需求量越來越大。壓鑄鋁合金中應用最早的是Al-Si二元共晶合金，其具有良好的流動性和氣密性，較小的收縮率和熱裂傾向性，且有良好的力學性能、物理性能和耐腐蝕性，可以壓鑄一些薄壁及對致密性有要求但不受力的零件，如汽車儀表附件、蓋板、機殼及有散熱片的缸體殼體等。對于一般機加工要求高的承力鑄件，一般采用Al-Si-Mg系及Al-Si-Cu系、Al-Si-Cu-Mg系列合金。目前應用最多的是Al-Si系合金，主要合金元素有Si、Mg、Cu、Ti、Zn、Fe等，還可能含有Cr、Zr、V、Sr、B、Sb和RE等元素，每種元素對合金的影響既相互獨立又相互作用。

對于普通壓鑄而言，在壓鑄過程中，由于金屬液體填充型腔的速度很快，型腔中的氣體沒有機會逸出，幾乎全部卷入鑄件內，形成大量的氣孔，這些氣體在隨后的固溶處理中易受熱膨脹，使鑄件產生鼓包和變形，不能進行固溶處理，故其性能不能得到有效改善，但采用壓鑄件可以接受的較低的溫度時效，可以將其強度提高，既消除了應力，穩定了尺寸，又發揮了材料的性能。

本課題設計、開發出一種新型壓鑄用Al-Si-Mg-Cu合金，并對合金進行了自然時效和人工時效處理試驗。通過力學性能測試和金相觀察，分析了合金元素及時效處理對鑄件性能的影響，旨在為其應用提供參考。

01試驗內容

1.1 試驗材料及化學成分

新型壓鑄鋁合金的名義成分（質量分數，下同）為：9%的Si， 0.5%的Mg， 0.5%的Mn，0.5%的Cu， 0.5%的Zn，0.15%的Ti，0.02%的Sr，Fe: ≤0.3%，余量為Al。合金熔配添加的合金或金屬分別為Al-5Ti-B、Al-10Sr、Mg-10Al、純鋅、純銅等，在井式電阻爐中熔煉。當合金液溫度達到720 ℃時，向其中通入氮氣進行除氣處理。為防止熔煉過程中增鐵，采用石墨坩堝，由于配料時根據情況考慮了某些金屬元素的燒損和其他金屬元素的實收率，實際采用直讀光譜儀測得的化學成分與設計值基本接近，見表1。

表1 新型壓鑄合金的化學成分（%）

1.2 壓鑄試樣的制備

壓鑄試樣參照標準設計，試樣見圖1，試樣尺寸見圖2，直徑為6.4 mm，標距為50 mm，總長為170 mm。采用臥式冷室壓鑄機，沖頭直徑為40 mm。壓鑄工藝參數：澆注溫度為660～670 ℃，模具溫度為150 ℃。

圖1 壓鑄試樣圖

圖2 壓鑄力學性能圓形試棒尺寸

1.3 時效處理

為比較自然時效和人工時效對合金力學性能的影響，各取5根試棒分別進行自然時效和在140、155、170 ℃下進行人工時效處理，自然時效時間為90d，人工時效時間均為8h。

1.4 力學性能試驗

拉伸測試在材料萬能實驗機完成，伸長率用引伸計測量得。試驗在室溫下的加載速率為5 mm/min，每組5個試樣，取平均值。

1.5 微觀組織觀察

取試樣相同部位作為金相試樣，依次經400、800、1200、2000號砂紙打磨，隨后用2.5μm和1.5μm金剛石拋光膏拋光，最后用1%的HF+1.5%的HCl+2.5%的HNO3腐蝕液浸蝕10~20 s并用酒精清洗干凈。制好的金相試樣通過金相顯微鏡和掃描電鏡觀察其微觀組織，并通過能譜分析確定局部元素分布。

02試驗結果和討論

2.1 合金微觀組織

2.1.1 合金元素對微觀組織的影響

圖3 YL104合金與Al-Si-Mg-Cu合金的金相組織照片

圖3為YL104壓鑄合金和Al-Si-Mg-Cu合金的組織對比，可以看出，兩種合金中白色組織為α-Al基體，枝晶間灰色組織為共晶組織，但Al-Si-Mg-Cu合金中α-Al基體更加圓整，尺寸明顯變小，最小可達到3μm。其中圖3c中能發現部分粗大的α-Al，這部分粗大的枝晶應該是在壓室內形成的，在壓室內凝固、長大，最后被沖頭壓入型腔形成的。由于放大倍數的限制，還有部分黑色未知組織需進行更細微的分析。

根據Al-Si-Cu相圖，當Mg含量為0.5%，銅含量≤0.5%時合金凝固后相組成為[α-Al+Si+Mg2Si+Al5Mg8Cu2Si6]，由于Mg、Cu、Zn等合金元素含量較少，添加的Mg、Cu、Zn等合金元素大部分都溶解于Al基體中，因此在微觀組織照片中很難發現以上元素形成的特征相。通過EDS分析發現α-Al基體中溶有Mg、Cu、Zn、Si等合金元素，起到固溶強化的作用,見圖4。

圖4 Al-Si-Mg-Cu合金微觀組織與EDS分析

通過SEM進一步分析，可以觀察到黑色的纖維狀組織和塊狀的亮灰色組織，見圖5。經EDS分析（Al的質量分數為82.2%，Si的質量分數為16.2%），纖維狀組織為共晶Si，由于合金在熔煉階段加入了Sr變質，Sr將原本細長的板條狀共晶Si變為細小的纖維狀結構，細化后的共晶硅尺寸在2μm左右，Sr的加入極大地削弱了共晶Si對基體的割裂作用。亮灰色組織為Fe相。在鋁硅系合金中鐵相主要以漢字狀α-AlFeSi和針狀β-AlFeSi相存在。根據SEM觀察，發現此Fe相為塊狀，判斷此相并不是上述兩種相。根據Lin Chong等研究，在Al-Si合金添加Mn后發現有塊狀的Fe相Al4（Fe，Mn）Si2生成，經過T6熱處理后轉變為塊狀的Al5（Fe，Mn）Si。本研究的合金Si含量為9%，通過EDS譜分析（Al的摩爾分數為74.52%，Fe的摩爾分數為4.49%，Mn的摩爾分數為8.23%，Si的摩爾分數為12.11%），綜合鐵相的形貌，認為此組織為Al5（Fe，Mn）Si。由于Mn的影響，形貌得到了改善，對于基體的割裂效果明顯減弱。綜上所述，鑄態的合金微觀組織主要由細化的α-Al、纖維狀的共晶Si和塊狀的Fe相組成。

圖5 Al-Si-Mg-Cu合金SEM照片和EDS分析

2.1.2時效處理對微觀組織的影響

圖6 140℃時效后Al-Si-Mg-Cu合金的微觀組織和元素分布：（a）金相照片（b）SEM照片（c）Al元素分布（d）Si元素分布（e）Mg元素分布

圖6為140℃ 時效后Al-Si-Mg-Cu 合金的微觀組織和元素分布。可以觀察到時效后的微觀組織主要還是初生α-Al和共晶Si相，對比圖3b，發現時效對于初生α-Al的形貌大小基本沒有影響，都是由細小的α-Al枝晶和少數粗大的α-Al枝晶組成。通過SEM分析可以發現（圖6b），在α-Al出現了一些彌散分布的黑色組織，經EDS分析(圖6c、圖6e),此組織主要由Al與Mg組成，結合胡祖麒等的研究，Al-Mg-Si系合金生成的β-Al8Mg5相經過時效處理后會重新固溶到鋁基體中，起到固溶強化的作用，分析此組織β-Al8Mg5相。

對時效后的組織進行了EDS分析，見圖7。從圖7a可見，在共晶Si中間有一圈灰色的環狀組織，組織主要構成元素為Si和Mg，分析認為是Mg2Si相；在圖7a左上角和正中間位置還存在形狀不規則的灰色組織，通過圖7b的EDS分析（Mg摩爾分數為4.24%，Cu摩爾分數為1.10%）和元素分布圖，發現該組織由Al、Mg、Si、Cu組成，且Mg與Cu摩爾比為4:1，因此判斷該組織為Al5Mg8Cu2Si6相。在壓鑄時，Mg、Cu等元素由于含量較少能夠完全溶解于基體中，經過時效處理，溶解于基體的強化相析出起到彌散強化的作用。Zn在鋁中有很大的溶解度，因此Zn主要起固溶強化的作用。綜上所述，時效處理后的合金組織主要有細小的α-Al、均勻分布的鈍化共晶Si、彌散分布的Mg2Si相和少量的Al5Mg8Cu2Si6相組成。

圖7 時效后Al-Si-Mg-Cu合金的組織和EDS分析（a）SEM照片（b）EDS分析譜（c）Cu元素的分布（d）Mg元素的分布（e）Si元素的分布（f）Al元素的分布

2.2 力學性能

用電子拉力試驗機分別對成分優化后合金的鑄態、自然時效和人工時效后的試棒進行了拉力測試，結果見圖8。可見鑄態合金的平均抗拉強度為306.316 MPa，伸長率平均為4.262%相對于YL104合金分別提高了提高了39.1%和100%。這主要是由于在Al-Si-Mg-Cu系多元合金相對于YL104合金Mg、Cu、Zn含量都有提升，同時加入少量鈦和鍶。Mg、Cu、Zn大部分溶解于α-Al中基體內，在壓鑄過程中，冷卻速度快，溶解于α-Al中的合金元素來不及完全析出，較多地固溶在基體中起到了固溶強化作用；當Mg與Cu含量由0.3%增加到0.5%時，Mg能與Si可以形成Mg2Si相，當Cu/Mg質量比小于2.5時會生成強化相Al5Mg8Cu2Si6相，時效處理后強化相析出，起到彌散強化的作用，提高合金強度；鈦元素可以與鋁形成TiAl3，為合金提供異質形核點，添加0.15%的Ti能起到細化晶粒的作用；添加0.02%鍶進行變質處理能使共晶Si由粗大的針片狀變為細小的纖維狀，減少了共晶Si對基體的割裂作用，極大地提高了合金的塑性。Fe可以改善壓鑄時的粘模現象，但其對于合金的力學性能不利，在將Fe含量控制在0.3%以內的同時加入0.5%的Mn可以使鐵相由針狀或板條狀變為對基體割裂作用很小的小塊狀，Mn的加入使Fe相的危害大大減小，從而提高了性能。

圖8 時效后合金的力學性能

2.3.2 時效處理對合金性能的影響

自然時效處理的試棒平均抗拉強度為321.077 MPa，伸長率平均為2.842%；經過不同溫度的人工時效發現，在140 ℃下進行人工時效處理的試棒平均抗拉強度最高，為377.081 MPa，此時伸長率平均為3.42%，抗拉強度隨人工時效溫度提高呈下降趨勢，伸長率也隨時效溫度的升高而降低。Al-Si-Mg-Cu合金在凝固后主要相組成為[α-Al+Si+Mg2Si+Al5Mg8Cu2Si6]，時效處理對于α-Al相的形貌、大小影響不大，但是時效處理過程促進了原子的移動和擴散，改善了鑄件因為局部冷卻過快導致的局部成分偏析和局部應力，同時也緩解了鑄件內部的殘余應力，從而降低了鑄件局部應力集中，這使得合金強度上升的同時，伸長率還能保持相對穩定。另外，時效處理后會析出Mg2Si相和少量的Al5Mg8Cu2Si6相，這些強化相彌散分布于晶界間，起到彌散強化的作用從而提高強度。

隨著時效溫度的提高，強化相析出越多，因此人工時效相對自然時效強度會上升，當溫度達到一定值之后，析出相會偏聚長大，破壞基體完整性從而導致強度下降，因此隨著溫度升高強度下降；析出相增多導致合金在變形時阻力增大，所以合金塑性降低，伸長率隨時效溫度升高下降。

03結論

（1）新型壓鑄鋁合金組織主要是α-Al和共晶Si，α-Al晶粒細小，最小達到3μm，共晶Si形貌變為纖維狀，尺寸小于2μm。
（2）本合金相比YL104合金，抗拉強度提高了39.1%，伸長率提高了1倍，力學性能明顯提高。
（3）時效后金相組織中能發現少量Mg2Si和Al5Mg8Cu2Si6析出，同時消除了鑄件應力集中，這使得合金強度上升的同時，伸長率保持相對穩定。
（4）合金的抗拉強度和伸長率在人工時效超過140℃時，均隨時效溫度升高而降低，所以適合的時效溫度為140℃，此溫度下時效處理的合金相對于鑄態抗拉強度提高了23.2%，達到377 MPa，但伸長率由4.26%變為3.42%。

作者
李云翔 夏凱 方詩杰
湖北航特裝備制造股份有限公司
本文來自：《特種鑄造及有色合金》雜志