T5处理对铝合金(高真空)压铸件性能的影响

原标题：华南理工&文灿集团：T5处理对高真空压铸Al-10Si-Cu-Mg-Mn合金组织影响

铝合金具有密度小、比强度高、易于成形和耐腐蚀等特点，被认为是汽车轻量化的理想材料。压铸是制备铝合金件的主要成形方法之一，生产效率高，能成形多种复杂的薄壁零件。但是普通压铸具有高速高压的特点，易产生紊流，导致气体卷入，残留在铸件中形成气孔，从而导致铸件的力学性能下降，在后续热处理过程中还会出现起泡等缺陷。真空压铸能在充型前将型腔中的气体抽除，降低充型时的型腔气体压力，从而消除或大幅减少压铸件的孔洞缺陷，提高铸件性能。

在Al-Si合金中同时添加Mg、Cu元素，可以兼具Al-Si-Mg合金高耐蚀性和Al-Si-Cu合金的高强度、高耐热性，具有良好的综合力学性能。为了获得优异的力学性能，Al合金通常需要进行T6热处理。然而，在实际生产制造过程中，应该避免进行高温固溶处理，以防止铝合金产品起泡和尺寸变形。此外，据报道，使用高温固溶处理几乎会使最终铸件的成本增加一倍。因此，T5处理对于生产铸造铝合金至关重要。研究者研究了AlSi7CuMnMg压铸合金的低温时效工艺，发现最佳时效工艺为170℃×6h，此种条件下抗拉强度为303MPa，屈服强度为183MPa，伸长率为7.5%。通过优化Cu的含量开发T5热处理触变铸造Al-7Si-0.5Mg-0.5Cu合金，发现合金抗拉强度为296MPa，屈服强度为209MPa，伸长率为8.8%，力学性能可以与一些T6热处理后的Al-7Si-Mg合金相媲美。

作为最常见的Al-Si-Mg系压铸合金，关于高真空压铸Al-10Si-Mg-Mn合金添加Cu元素的研究报道较少。因此，本研究通过高真空压铸制备不同Cu含量的Al-10Si-Mg-Mn合金，采用光学显微镜（OM）、扫描电镜（SEM）和透射电镜（TEM）对铸态和T5态合金微观组织进行研究。研究Cu含量和T5热处理对合金微观组织的影响，为Al-10Si-Mg-Mn合金中Cu的添加量优化提供参考。

图文结果

熔炼合金所用的原材料分别为Al-Si-Mg-Mn铸锭以及Al-50Cu和Al-50Mg中间合金，采用TOYO BD-350T冷室压铸机，配备真空设备，压铸过程实际测得的真空度小于5kPa。试验期间每种材料按照比例（考虑烧损）称重，首先将Al-Si-Mg-Mn合金锭加入到电阻炉中，升温加热至合金熔化；待铝液温度稳定保持在700℃左右时，再加入Al-50Cu中间合金搅拌均匀，保温20min；然后加入Al-50Mg中间合金，变质剂为Al-10Sr合金，细化剂为Al-5Ti-B合金，搅拌均匀，保温10min；加入除渣剂，静置10min；通入高纯氩气，静置15min，扒渣。690℃下进行浇注，压铸模具预热至180℃，高速速度为2m/s，增压压力为80MPa。3组高真空压铸合金实测成分见表1。实际压铸件见图1，厚度分别为2、4、6和8mm的4种拉伸试样。

表1 试验合金的化学成分(%)

图1 压铸试样实物图

图2 拉伸试样尺寸

(a)1号 (b)2号 (c)3号图3 高真空压铸Al-10Si-0.5Mn-0.4Mg-xCu合金铸态金相组织

可以看出，3组合金的铸态组织主要由α-Al及Al-Si共晶相组成。其中α-Al晶粒有两种类型，分别标记为α1-Al和α2-Al。这是因为压铸凝固过程是一个两阶段过程，当熔化后的铝液倒入压室，压室内相对较低的温度能够将铝液冷却至液相线温度以下，此时α1-Al晶粒在压室中开始形核并生长，因此也被称为压室预结晶。这些晶粒伴随着未凝固铝液一同进入模具型腔，因为有充足时间长大，造成最终尺寸较粗大。在模具型腔填充过程中，由于冷却速率非常快，因此形成了更细小、形状也更为圆整的α2-Al晶粒。经Sr元素变质后的共晶Si呈纤维状，同时在共晶区存在呈现出多边形的富Fe相，通过EDS能谱分析确认其为α-Fe相。

(a)1号SEM (b)2号SEM (c)3号SEM

(d)EDS1 (e)EDS2 (f)EDS3图4 高真空压铸Al-10Si-0.5Mn-0.4Mg-xCu合金铸态SEM形貌和EDS结果

表2 高真空压铸Al-10Si-0.5Mn-0.4Mg-xCu合金铸态金属间化合物面积分数统计结果

图5 高真空压铸Al-10Si-0.5Mn-0.4Mg-xCu合金平均硬度与时效时间曲线

图6为Al-10Si-0.5Mn-0.4Mg-xCu合金T5热处理后的金相组织。可以看出，3组合金的T5态金相组织依然由α-Al、Al-Si共晶区及α-Fe组成，与铸态合金相比，α-Al、共晶Si相和α-Fe相的形貌没有发生明显变化。图7为合金经T5热处理后的背散射SEM图片。依旧能观察到深灰色、浅灰色以及亮白色的金属间化合物，相应的EDS分析结果显示，金属间化合物仍为α-Fe、Q和θ相，形貌没有发生变化。表3为峰值时效时1~3号合金中α-Fe、Q和θ相的面积分数，可以看出，α-Fe相分别为1.13%、1.09%和1.11%，Q相分别为0.89%、0.82%和0.86%，θ相分别为0.74%、1.66%和2.64%，与铸态合金结果相比，金属间化合物面积分数没有发生明显变化，表明T5热处理不会改变相类型和数量。

(a)1号 (b)2号 (c)3号图6 高真空压铸Al-10Si-0.5Mn-0.4Mg-xCu合金T5态金相组织

(a)1号SEM (b)2号SEM (c)3号SEM

(d)EDS4 (e)EDS5 (f)EDS6图7 高真空压铸Al-10Si-0.5Mn-0.4Mg-xCu合金T5态SEM形貌和EDS结果

表3 高真空压铸Al-10Si-0.5Mn-0.4Mg-xCu合金T5态金属间化合物面积分数统计结果

图8 高真空压铸Al-10Si-0.5Mn-0.4Mg-xCu合金T5态TEM明场相及相应的SADP图

图9 HRTEM图及对应的FFT图

表4 高真空压铸Al-10Si-0.5Mn-0.4Mg-xCu合金T5态析出相统计结果

结论

（1）AlSi10CuMgMn合金的铸态组织均由α-Al、共晶Si和α-Fe、Q和θ相组成。随着Cu含量增加，Q相数量基本保持不变，形貌以层片状为主；θ相数量则逐渐增多，形貌由分散的粒状转变成聚集的块状。

（2）T5热处理对铸态α-Al、共晶Si、α-Fe、Q和θ相的影响很小。峰值时效主要纳米析出相为β″和θ′相，Cu含量较低时，析出相以β″为主；Cu含量较高时，析出相以θ′为主。

作者刘金辉 赵海东华南理工大学国家金属材料近净成形工程技术研究中心高军民 李史华 侯小华文灿集团股份有限公司

本文来自：《特种铸造及有色合金》杂志，《压铸周刊》战略合作伙伴