T5處理對鋁合金(高真空)壓鑄件性能的影響

原標題：華南理工&文燦集團：T5處理對高真空壓鑄Al-10Si-Cu-Mg-Mn合金組織影響

鋁合金具有密度小、比強度高、易於成形和耐腐蝕等特點，被認爲是汽車輕量化的理想材料。壓鑄是制備鋁合金件的主要成形方法之一，生產效率高，能成形多種復雜的薄壁零件。但是普通壓鑄具有高速高壓的特點，易產生紊流，導致氣體卷入，殘留在鑄件中形成氣孔，從而導致鑄件的力學性能下降，在後續熱處理過程中還會出現起泡等缺陷。真空壓鑄能在充型前將型腔中的氣體抽除，降低充型時的型腔氣體壓力，從而消除或大幅減少壓鑄件的孔洞缺陷，提高鑄件性能。

在Al-Si合金中同時添加Mg、Cu元素，可以兼具Al-Si-Mg合金高耐蝕性和Al-Si-Cu合金的高強度、高耐熱性，具有良好的綜合力學性能。爲了獲得優異的力學性能，Al合金通常需要進行T6熱處理。然而，在實際生產制造過程中，應該避免進行高溫固溶處理，以防止鋁合金產品起泡和尺寸變形。此外，據報道，使用高溫固溶處理幾乎會使最終鑄件的成本增加一倍。因此，T5處理對於生產鑄造鋁合金至關重要。研究者研究了AlSi7CuMnMg壓鑄合金的低溫時效工藝，發現最佳時效工藝爲170℃×6h，此種條件下抗拉強度爲303MPa，屈服強度爲183MPa，伸長率爲7.5%。通過優化Cu的含量開發T5熱處理觸變鑄造Al-7Si-0.5Mg-0.5Cu合金，發現合金抗拉強度爲296MPa，屈服強度爲209MPa，伸長率爲8.8%，力學性能可以與一些T6熱處理後的Al-7Si-Mg合金相媲美。

作爲最常見的Al-Si-Mg系壓鑄合金，關於高真空壓鑄Al-10Si-Mg-Mn合金添加Cu元素的研究報道較少。因此，本研究通過高真空壓鑄制備不同Cu含量的Al-10Si-Mg-Mn合金，採用光學顯微鏡（OM）、掃描電鏡（SEM）和透射電鏡（TEM）對鑄態和T5態合金微觀組織進行研究。研究Cu含量和T5熱處理對合金微觀組織的影響，爲Al-10Si-Mg-Mn合金中Cu的添加量優化提供參考。

圖文結果

熔煉合金所用的原材料分別爲Al-Si-Mg-Mn鑄錠以及Al-50Cu和Al-50Mg中間合金，採用TOYO BD-350T冷室壓鑄機，配備真空設備，壓鑄過程實際測得的真空度小於5kPa。試驗期間每種材料按照比例（考慮燒損）稱重，首先將Al-Si-Mg-Mn合金錠加入到電阻爐中，升溫加熱至合金熔化；待鋁液溫度穩定保持在700℃左右時，再加入Al-50Cu中間合金攪拌均勻，保溫20min；然後加入Al-50Mg中間合金，變質劑爲Al-10Sr合金，細化劑爲Al-5Ti-B合金，攪拌均勻，保溫10min；加入除渣劑，靜置10min；通入高純氬氣，靜置15min，扒渣。690℃下進行澆注，壓鑄模具預熱至180℃，高速速度爲2m/s，增壓壓力爲80MPa。3組高真空壓鑄合金實測成分見表1。實際壓鑄件見圖1，厚度分別爲2、4、6和8mm的4種拉伸試樣。

表1 試驗合金的化學成分(%)

圖1 壓鑄試樣實物圖

圖2 拉伸試樣尺寸

(a)1號 (b)2號 (c)3號圖3 高真空壓鑄Al-10Si-0.5Mn-0.4Mg-xCu合金鑄態金相組織

可以看出，3組合金的鑄態組織主要由α-Al及Al-Si共晶相組成。其中α-Al晶粒有兩種類型，分別標記爲α1-Al和α2-Al。這是因爲壓鑄凝固過程是一個兩階段過程，當熔化後的鋁液倒入壓室，壓室內相對較低的溫度能夠將鋁液冷卻至液相線溫度以下，此時α1-Al晶粒在壓室中開始形核並生長，因此也被稱爲壓室預結晶。這些晶粒伴隨着未凝固鋁液一同進入模具型腔，因爲有充足時間長大，造成最終尺寸較粗大。在模具型腔填充過程中，由於冷卻速率非常快，因此形成了更細小、形狀也更爲圓整的α2-Al晶粒。經Sr元素變質後的共晶Si呈纖維狀，同時在共晶區存在呈現出多邊形的富Fe相，通過EDS能譜分析確認其爲α-Fe相。

(a)1號SEM (b)2號SEM (c)3號SEM

(d)EDS1 (e)EDS2 (f)EDS3圖4 高真空壓鑄Al-10Si-0.5Mn-0.4Mg-xCu合金鑄態SEM形貌和EDS結果

表2 高真空壓鑄Al-10Si-0.5Mn-0.4Mg-xCu合金鑄態金屬間化合物面積分數統計結果

圖5 高真空壓鑄Al-10Si-0.5Mn-0.4Mg-xCu合金平均硬度與時效時間曲線

圖6爲Al-10Si-0.5Mn-0.4Mg-xCu合金T5熱處理後的金相組織。可以看出，3組合金的T5態金相組織依然由α-Al、Al-Si共晶區及α-Fe組成，與鑄態合金相比，α-Al、共晶Si相和α-Fe相的形貌沒有發生明顯變化。圖7爲合金經T5熱處理後的背散射SEM圖片。依舊能觀察到深灰色、淺灰色以及亮白色的金屬間化合物，相應的EDS分析結果顯示，金屬間化合物仍爲α-Fe、Q和θ相，形貌沒有發生變化。表3爲峯值時效時1~3號合金中α-Fe、Q和θ相的面積分數，可以看出，α-Fe相分別爲1.13%、1.09%和1.11%，Q相分別爲0.89%、0.82%和0.86%，θ相分別爲0.74%、1.66%和2.64%，與鑄態合金結果相比，金屬間化合物面積分數沒有發生明顯變化，表明T5熱處理不會改變相類型和數量。

(a)1號 (b)2號 (c)3號圖6 高真空壓鑄Al-10Si-0.5Mn-0.4Mg-xCu合金T5態金相組織

(a)1號SEM (b)2號SEM (c)3號SEM

(d)EDS4 (e)EDS5 (f)EDS6圖7 高真空壓鑄Al-10Si-0.5Mn-0.4Mg-xCu合金T5態SEM形貌和EDS結果

表3 高真空壓鑄Al-10Si-0.5Mn-0.4Mg-xCu合金T5態金屬間化合物面積分數統計結果

圖8 高真空壓鑄Al-10Si-0.5Mn-0.4Mg-xCu合金T5態TEM明場相及相應的SADP圖

圖9 HRTEM圖及對應的FFT圖

表4 高真空壓鑄Al-10Si-0.5Mn-0.4Mg-xCu合金T5態析出相統計結果

結論

（1）AlSi10CuMgMn合金的鑄態組織均由α-Al、共晶Si和α-Fe、Q和θ相組成。隨着Cu含量增加，Q相數量基本保持不變，形貌以層片狀爲主；θ相數量則逐漸增多，形貌由分散的粒狀轉變成聚集的塊狀。

（2）T5熱處理對鑄態α-Al、共晶Si、α-Fe、Q和θ相的影響很小。峯值時效主要納米析出相爲β″和θ′相，Cu含量較低時，析出相以β″爲主；Cu含量較高時，析出相以θ′爲主。

作者劉金輝 趙海東華南理工大學國家金屬材料近淨成形工程技術研究中心高軍民 李史華 侯小華文燦集團股份有限公司

本文來自：《特種鑄造及有色合金》雜志，《壓鑄周刊》戰略合作夥伴