T5處理對鋁合金(高真空)壓鑄件性能的影響

劉金輝發表于2024/6/20 10:11:23 T5熱處理鑄件性能鋁合金

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、易于成形和耐腐蝕等特點，被認為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，在后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。為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處理對于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，發現最佳時效工藝為170℃×6h，此種條件下抗拉強度為303MPa，屈服強度為183MPa，伸長率為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，發現合金抗拉強度為296MPa，屈服強度為209MPa，伸長率為8.8%，力學性能可以與一些T6熱處理后的Al-7Si-Mg合金相媲美。

作為最常見的Al-Si-Mg系壓鑄合金，關于高真空壓鑄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，采用光學顯微鏡（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，為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為Al-Si-Mg-Mn鑄錠以及Al-50Cu和Al-50Mg中間合金，采用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于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；然后加入Al-50Mg中間合金，變質劑為Al-10Sr合金，細化劑為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℃，高速速度為2m/s，增壓壓力為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，厚度分別為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，分別標記為α1-Al和α2-Al。這是因為壓鑄凝固過程是一個兩階段過程，當熔化后的鋁液倒入壓室，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并生長，因此也被稱為壓室預結晶。這些晶粒伴隨著未凝固鋁液一同進入模具型腔，因為有充足時間長大，造成最終尺寸較粗大。在模具型腔填充過程中，由于冷卻速率非常快，因此形成了更細小、形狀也更為圓整的α2-Al晶粒。經Sr元素變質后的共晶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能譜分析確認其為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為Al-10Si-0.5Mn-0.4Mg-xCu合金T5熱處理后的金相組織。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為合金經T5熱處理后的背散射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，金屬間化合物仍為α-Fe、Q和θ相，形貌沒有發生變化。表3為峰值時效時1~3號合金中α-Fe、Q和θ相的面積分數，可以看出，α-Fe相分別為1.13%、1.09%和1.11%，Q相分別為0.89%、0.82%和0.86%，θ相分別為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。