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原标题：一种压铸用高强Al-Si-Mg合金的组织及力学性能

摘要：设计、开发出一种新型压铸用Al-Si-Mg-Cu合金，并对该合金的压铸件进行了自然时效和在不同温度下人工时效处理试验。通过力学性能测试和金相观察，分析了合金元素及时效处理对合金性能的影响。结果表明，提高压铸铝合金中的镁含量和增加一定量的Cu、Zn、Ti等元素，并通过Sr变质处理和时效处理后，合金的抗拉强度和断后伸长率均有较大提高。进行成分优化后的合金的铸态抗拉强度可超过310MPa，伸长率最大可以达到5.9%。成分一定时，人工时效对合金的抗拉强度及伸长率均有提升，当时效温度在140～170℃范围内升高时，抗拉强度及伸长率均呈下降趋势；在140 ℃低温时效8h后，材料具有较好的综合力学性能，抗拉强度平均可达到377.08 MPa，伸长率平均可达3.42%。

近年来，由于压铸技术的不断提高及汽车轻量化的要求，基于效率、成本、精度、质量及力学性能的综合考虑，越来越多的汽车零部件采用铝合金压铸成形，如汽车发动机缸体、凸轮轴支架、轮毂、变速箱壳体等。随着压铸工艺的不断发展，对具有优良综合性能的压铸合金需求量越来越大。压铸铝合金中应用最早的是Al-Si二元共晶合金，其具有良好的流动性和气密性，较小的收缩率和热裂倾向性，且有良好的力学性能、物理性能和耐腐蚀性，可以压铸一些薄壁及对致密性有要求但不受力的零件，如汽车仪表附件、盖板、机壳及有散热片的缸体壳体等。对于一般机加工要求高的承力铸件，一般采用Al-Si-Mg系及Al-Si-Cu系、Al-Si-Cu-Mg系列合金。目前应用最多的是Al-Si系合金，主要合金元素有Si、Mg、Cu、Ti、Zn、Fe等，还可能含有Cr、Zr、V、Sr、B、Sb和RE等元素，每种元素对合金的影响既相互独立又相互作用。

对于普通压铸而言，在压铸过程中，由于金属液体填充型腔的速度很快，型腔中的气体没有机会逸出，几乎全部卷入铸件内，形成大量的气孔，这些气体在随后的固溶处理中易受热膨胀，使铸件产生鼓包和变形，不能进行固溶处理，故其性能不能得到有效改善，但采用压铸件可以接受的较低的温度时效，可以将其强度提高，既消除了应力，稳定了尺寸，又发挥了材料的性能。

本课题设计、开发出一种新型压铸用Al-Si-Mg-Cu合金，并对合金进行了自然时效和人工时效处理试验。通过力学性能测试和金相观察，分析了合金元素及时效处理对铸件性能的影响，旨在为其应用提供参考。

01试验内容

1.1 试验材料及化学成分

新型压铸铝合金的名义成分（质量分数，下同）为：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%，余量为Al。合金熔配添加的合金或金属分别为Al-5Ti-B、Al-10Sr、Mg-10Al、纯锌、纯铜等，在井式电阻炉中熔炼。当合金液温度达到720 ℃时，向其中通入氮气进行除气处理。为防止熔炼过程中增铁，采用石墨坩埚，由于配料时根据情况考虑了某些金属元素的烧损和其他金属元素的实收率，实际采用直读光谱仪测得的化学成分与设计值基本接近，见表1。

表1 新型压铸合金的化学成分（%）

1.2 压铸试样的制备

压铸试样参照标准设计，试样见图1，试样尺寸见图2，直径为6.4 mm，标距为50 mm，总长为170 mm。采用卧式冷室压铸机，冲头直径为40 mm。压铸工艺参数：浇注温度为660～670 ℃，模具温度为150 ℃。

图1 压铸试样图

图2 压铸力学性能圆形试棒尺寸

1.3 时效处理

为比较自然时效和人工时效对合金力学性能的影响，各取5根试棒分别进行自然时效和在140、155、170 ℃下进行人工时效处理，自然时效时间为90d，人工时效时间均为8h。

1.4 力学性能试验

拉伸测试在材料万能实验机完成，伸长率用引伸计测量得。试验在室温下的加载速率为5 mm/min，每组5个试样，取平均值。

1.5 微观组织观察

取试样相同部位作为金相试样，依次经400、800、1200、2000号砂纸打磨，随后用2.5μm和1.5μm金刚石抛光膏抛光，最后用1%的HF+1.5%的HCl+2.5%的HNO3腐蚀液浸蚀10~20 s并用酒精清洗干净。制好的金相试样通过金相显微镜和扫描电镜观察其微观组织，并通过能谱分析确定局部元素分布。

02试验结果和讨论

2.1 合金微观组织

2.1.1 合金元素对微观组织的影响

图3 YL104合金与Al-Si-Mg-Cu合金的金相组织照片

图3为YL104压铸合金和Al-Si-Mg-Cu合金的组织对比，可以看出，两种合金中白色组织为α-Al基体，枝晶间灰色组织为共晶组织，但Al-Si-Mg-Cu合金中α-Al基体更加圆整，尺寸明显变小，最小可达到3μm。其中图3c中能发现部分粗大的α-Al，这部分粗大的枝晶应该是在压室内形成的，在压室内凝固、长大，最后被冲头压入型腔形成的。由于放大倍数的限制，还有部分黑色未知组织需进行更细微的分析。

根据Al-Si-Cu相图，当Mg含量为0.5%，铜含量≤0.5%时合金凝固后相组成为[α-Al+Si+Mg2Si+Al5Mg8Cu2Si6]，由于Mg、Cu、Zn等合金元素含量较少，添加的Mg、Cu、Zn等合金元素大部分都溶解于Al基体中，因此在微观组织照片中很难发现以上元素形成的特征相。通过EDS分析发现α-Al基体中溶有Mg、Cu、Zn、Si等合金元素，起到固溶强化的作用,见图4。

图4 Al-Si-Mg-Cu合金微观组织与EDS分析

通过SEM进一步分析，可以观察到黑色的纤维状组织和块状的亮灰色组织，见图5。经EDS分析（Al的质量分数为82.2%，Si的质量分数为16.2%），纤维状组织为共晶Si，由于合金在熔炼阶段加入了Sr变质，Sr将原本细长的板条状共晶Si变为细小的纤维状结构，细化后的共晶硅尺寸在2μm左右，Sr的加入极大地削弱了共晶Si对基体的割裂作用。亮灰色组织为Fe相。在铝硅系合金中铁相主要以汉字状α-AlFeSi和针状β-AlFeSi相存在。根据SEM观察，发现此Fe相为块状，判断此相并不是上述两种相。根据Lin Chong等研究，在Al-Si合金添加Mn后发现有块状的Fe相Al4（Fe，Mn）Si2生成，经过T6热处理后转变为块状的Al5（Fe，Mn）Si。本研究的合金Si含量为9%，通过EDS谱分析（Al的摩尔分数为74.52%，Fe的摩尔分数为4.49%，Mn的摩尔分数为8.23%，Si的摩尔分数为12.11%），综合铁相的形貌，认为此组织为Al5（Fe，Mn）Si。由于Mn的影响，形貌得到了改善，对于基体的割裂效果明显减弱。综上所述，铸态的合金微观组织主要由细化的α-Al、纤维状的共晶Si和块状的Fe相组成。

图5 Al-Si-Mg-Cu合金SEM照片和EDS分析

2.1.2时效处理对微观组织的影响

图6 140℃时效后Al-Si-Mg-Cu合金的微观组织和元素分布：（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

图6为140℃ 时效后Al-Si-Mg-Cu 合金的微观组织和元素分布。可以观察到时效后的微观组织主要还是初生α-Al和共晶Si相，对比图3b，发现时效对于初生α-Al的形貌大小基本没有影响，都是由细小的α-Al枝晶和少数粗大的α-Al枝晶组成。通过SEM分析可以发现（图6b），在α-Al出现了一些弥散分布的黑色组织，经EDS分析(图6c、图6e),此组织主要由Al与Mg组成，结合胡祖麒等的研究，Al-Mg-Si系合金生成的β-Al8Mg5相经过时效处理后会重新固溶到铝基体中，起到固溶强化的作用，分析此组织β-Al8Mg5相。

对时效后的组织进行了EDS分析，见图7。从图7a可见，在共晶Si中间有一圈灰色的环状组织，组织主要构成元素为Si和Mg，分析认为是Mg2Si相；在图7a左上角和正中间位置还存在形状不规则的灰色组织，通过图7b的EDS分析（Mg摩尔分数为4.24%，Cu摩尔分数为1.10%）和元素分布图，发现该组织由Al、Mg、Si、Cu组成，且Mg与Cu摩尔比为4:1，因此判断该组织为Al5Mg8Cu2Si6相。在压铸时，Mg、Cu等元素由于含量较少能够完全溶解于基体中，经过时效处理，溶解于基体的强化相析出起到弥散强化的作用。Zn在铝中有很大的溶解度，因此Zn主要起固溶强化的作用。综上所述，时效处理后的合金组织主要有细小的α-Al、均匀分布的钝化共晶Si、弥散分布的Mg2Si相和少量的Al5Mg8Cu2Si6相组成。

图7 时效后Al-Si-Mg-Cu合金的组织和EDS分析（a）SEM照片（b）EDS分析谱（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 力学性能

用电子拉力试验机分别对成分优化后合金的铸态、自然时效和人工时效后的试棒进行了拉力测试，结果见图8。可见铸态合金的平均抗拉强度为306.316 MPa，伸长率平均为4.262%相对于YL104合金分别提高了提高了39.1%和100%。这主要是由于在Al-Si-Mg-Cu系多元合金相对于YL104合金Mg、Cu、Zn含量都有提升，同时加入少量钛和锶。Mg、Cu、Zn大部分溶解于α-Al中基体内，在压铸过程中，冷却速度快，溶解于α-Al中的合金元素来不及完全析出，较多地固溶在基体中起到了固溶强化作用；当Mg与Cu含量由0.3%增加到0.5%时，Mg能与Si可以形成Mg2Si相，当Cu/Mg质量比小于2.5时会生成强化相Al5Mg8Cu2Si6相，时效处理后强化相析出，起到弥散强化的作用，提高合金强度；钛元素可以与铝形成TiAl3，为合金提供异质形核点，添加0.15%的Ti能起到细化晶粒的作用；添加0.02%锶进行变质处理能使共晶Si由粗大的针片状变为细小的纤维状，减少了共晶Si对基体的割裂作用，极大地提高了合金的塑性。Fe可以改善压铸时的粘模现象，但其对于合金的力学性能不利，在将Fe含量控制在0.3%以内的同时加入0.5%的Mn可以使铁相由针状或板条状变为对基体割裂作用很小的小块状，Mn的加入使Fe相的危害大大减小，从而提高了性能。

图8 时效后合金的力学性能

2.3.2 时效处理对合金性能的影响

自然时效处理的试棒平均抗拉强度为321.077 MPa，伸长率平均为2.842%；经过不同温度的人工时效发现，在140 ℃下进行人工时效处理的试棒平均抗拉强度最高，为377.081 MPa，此时伸长率平均为3.42%，抗拉强度随人工时效温度提高呈下降趋势，伸长率也随时效温度的升高而降低。Al-Si-Mg-Cu合金在凝固后主要相组成为[α-Al+Si+Mg2Si+Al5Mg8Cu2Si6]，时效处理对于α-Al相的形貌、大小影响不大，但是时效处理过程促进了原子的移动和扩散，改善了铸件因为局部冷却过快导致的局部成分偏析和局部应力，同时也缓解了铸件内部的残余应力，从而降低了铸件局部应力集中，这使得合金强度上升的同时，伸长率还能保持相对稳定。另外，时效处理后会析出Mg2Si相和少量的Al5Mg8Cu2Si6相，这些强化相弥散分布于晶界间，起到弥散强化的作用从而提高强度。

随着时效温度的提高，强化相析出越多，因此人工时效相对自然时效强度会上升，当温度达到一定值之后，析出相会偏聚长大，破坏基体完整性从而导致强度下降，因此随着温度升高强度下降；析出相增多导致合金在变形时阻力增大，所以合金塑性降低，伸长率随时效温度升高下降。

03结论

（1）新型压铸铝合金组织主要是α-Al和共晶Si，α-Al晶粒细小，最小达到3μm，共晶Si形貌变为纤维状，尺寸小于2μm。
（2）本合金相比YL104合金，抗拉强度提高了39.1%，伸长率提高了1倍，力学性能明显提高。
（3）时效后金相组织中能发现少量Mg2Si和Al5Mg8Cu2Si6析出，同时消除了铸件应力集中，这使得合金强度上升的同时，伸长率保持相对稳定。
（4）合金的抗拉强度和伸长率在人工时效超过140℃时，均随时效温度升高而降低，所以适合的时效温度为140℃，此温度下时效处理的合金相对于铸态抗拉强度提高了23.2%，达到377 MPa，但伸长率由4.26%变为3.42%。

作者
李云翔 夏凯 方诗杰
湖北航特装备制造股份有限公司
本文来自：《特种铸造及有色合金》杂志