周坤如 周語(yǔ)祺

摘 要：A356為美標(biāo)的鋁合金牌號(hào)，該合金的具備較好的耐蝕性，并且體現(xiàn)為優(yōu)良的抗疲勞性、加工性以及熱處理性能。因此在目前的現(xiàn)狀下，很多制造企業(yè)都會(huì)傾向于選擇此類的合金材料用于制造汽車輪轂或者汽車缸體。從微觀結(jié)構(gòu)的角度來(lái)講，此類合金主要包含了金屬化合物，并且含有共晶硅離子以及硅的沉淀物。從合金的內(nèi)部結(jié)構(gòu)角度講，鐵元素對(duì)于整體的合金結(jié)構(gòu)以及合金性能占據(jù)最大的影響比例。因此，本文重點(diǎn)研究Fe元素對(duì)A356鑄造鋁合金力學(xué)性能的影響，該試驗(yàn)過(guò)程中，根據(jù)其合金成分組成，在基本確保其他元素不變的前提下，重點(diǎn)試制3種不同含量Fe元素的試樣，通過(guò)鑄造、熱處理、組織觀察、拉力試驗(yàn)過(guò)程分析Fe對(duì)鋁合金組織和性能的影響。通過(guò)試驗(yàn)分析出結(jié)果為改變 A356 鋁合金中鐵含量將改變Fe的組織形態(tài)，從而改變組織結(jié)構(gòu)，最終提升鋁合金的拉伸力學(xué)性能。

關(guān)鍵詞：A356鋁合金;鑄造;熱處理;微觀組織;力學(xué)性能（Rp0.2，Rm，A5）

1課題研究背景和意義

進(jìn)入新時(shí)期后，汽車設(shè)計(jì)行業(yè)總體上已經(jīng)達(dá)到較高的產(chǎn)品設(shè)計(jì)水準(zhǔn)，而相應(yīng)的汽車設(shè)計(jì)技術(shù)也體現(xiàn)為多樣化的基本趨勢(shì)。對(duì)于現(xiàn)階段的汽車工業(yè)來(lái)講，總體趨勢(shì)主要體現(xiàn)在節(jié)能型與輕型的汽車設(shè)計(jì)。在此前提下，很多企業(yè)制造商針對(duì)設(shè)計(jì)新型的汽車零部件更多運(yùn)用了鋁合金作為其中的主要材質(zhì)。并且，目前對(duì)于汽車輪轂、熱交換器以及其他的汽車部件都已經(jīng)能夠運(yùn)用A356型號(hào)的鋁合金材質(zhì)。除此以外，設(shè)計(jì)技術(shù)人員針對(duì)某些型號(hào)的汽車車身、底盤與發(fā)動(dòng)機(jī)都可以選擇此類的鋁合金材質(zhì)用于進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。因此在現(xiàn)階段的汽車工業(yè)領(lǐng)域，A356的鋁合金已經(jīng)能夠獲得較廣的技術(shù)運(yùn)用。

由于鋁合金的密度相對(duì)于鋼材料密度小很多，同尺寸下鋁合金材質(zhì)比鋼材質(zhì)輪轂要輕得60%以上。與鋼制的汽車輪轂進(jìn)行對(duì)比，可見鋁合金材質(zhì)的輪轂具有更小的轉(zhuǎn)動(dòng)慣性，進(jìn)而對(duì)于整車的加速能力與起動(dòng)能力都能有效進(jìn)行提升。并且，汽車是否體現(xiàn)為優(yōu)良的制動(dòng)性，其在根本上也決定于鋁合金材質(zhì)。從鋁硅合金的角度來(lái)講，析出的鐵元素具有針狀的形態(tài)，此種針狀的析出物將會(huì)明顯減損原有的合金力學(xué)性能。并且，針狀的鐵元素具有較強(qiáng)的材料脆性，因而很可能損害固有的金屬基體。此外，鋁合金由于受到針狀的鐵析出物影響，那么將會(huì)明顯降低原有的合金力學(xué)性能。

2 實(shí)驗(yàn)過(guò)程和方法

2.1 材料

工業(yè)純鋁、純硅塊、鎂錠、Al-10Ti中間合金、Al-10Fe中間合金、Al-5Ti-B細(xì)化劑、精煉劑、高純氬氣等。

2.2 實(shí)驗(yàn)過(guò)程

具體包含試樣的熔煉鑄造過(guò)程、熱處理過(guò)程、組織觀察、力學(xué)性能以及斷口組織觀察等。

2.3 實(shí)驗(yàn)方法

1）合金成分設(shè)計(jì)：實(shí)驗(yàn)鋁合金成分設(shè)計(jì)依據(jù)為 A356鑄造鋁合金錠化學(xué)成分，執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)：ASTM;主要成分 如下，硅 Si：6.5～7.5、鎂 Mg：0.25～0.45、鈦 Ti：0.08-0.20、鋁 Al：余量;雜質(zhì)包含，鐵Fe： 0.000～ 0.200、銅 Cu：≤0.1、錳 Mn：≤0.10、 Zn：≤0.1、鋯 Zr：≤0.20、錫 Sn：≤0.01、鉛 Pb：≤0.03以此為依據(jù)，設(shè)置3組成分，其他成分不變，將Fe的含量分別設(shè)置為2000ppm，1000ppm，200ppm，具體成分分析如表1。

2）實(shí)驗(yàn)過(guò)程包含試樣熔煉鑄造、熱處理、組織觀察、性能測(cè)試等過(guò)程;

3）熔煉工藝：熔煉過(guò)程包含熔煉、除氣和變質(zhì)處理等精煉工藝。

①熔煉過(guò)程：采用坩堝電阻爐，將鋁錠在坩堝內(nèi)熔化，熔化溫度小于725℃，然后按照成分配比計(jì)算相應(yīng)重量的硅塊加入到已熔化的鋁合金液中，加入硅塊之后，用鋁錠將硅塊壓住鋁合金液內(nèi)部，禁止硅塊裸露在空氣中。待全部熔化后，攪拌均勻，將溫度調(diào)整到680—700℃，將鎂塊壓入到鋁合金液中的，待鎂全部熔化后，最后在精煉前加入鋁鈦硼絲。

②精煉： 去除鋁合金中的氣體，非金屬夾雜物和其它有害元素。除氣使用旋轉(zhuǎn)噴吹氬氣精煉裝置。

③變質(zhì)處理： 通過(guò)細(xì)化合金組織，改變共晶硅形態(tài)，最終提高鑄件的力學(xué)性能。

4）熱處理工藝：采用鋁合金鑄件T6熱處理工藝程序，主要工序包含：加熱-保溫-淬火-時(shí)效。

5）組織觀察：對(duì)A356鋁合金金錠取樣，并制成金相樣品，備用觀察。利用金相顯微鏡對(duì)A356鋁合金金錠樣品組織形態(tài)進(jìn)行研究，然后通過(guò)MIAPS工程軟件對(duì)觀察試樣內(nèi)部的富鐵相的寬度以及長(zhǎng)度進(jìn)行測(cè)量分析。

6）性能測(cè)試：運(yùn)用電子萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)對(duì)所制得的拉伸試樣進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，抗拉試樣按照如圖2所示的樣式國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)制造試樣。各個(gè)含鐵量鋁合金試樣取3個(gè)拉伸試樣進(jìn)行操作，對(duì)3次結(jié)果求得平均值作為其最終結(jié)果。

3 結(jié)果與討論

3.1 熱處理前后組織的變化

在全面經(jīng)過(guò)熱處理的前提下，待測(cè)試件將會(huì)具有相對(duì)較好的綜合力學(xué)性能。探究其中的根源，主要在于析出的Mg2Si具有非平衡相的特征。共晶硅相的大小、形貌與分布狀態(tài)在固溶處理過(guò)程中都發(fā)生了較大的改變。在此過(guò)程中，經(jīng)過(guò)肉眼觀察即可看到細(xì)小并且呈現(xiàn)球狀的共晶硅。具體對(duì)于硅顆粒而言，分布均勻的硅顆粒將會(huì)直接影響到晶粒物質(zhì)的尺寸、外貌形態(tài)、力學(xué)特性以及空間分布等各項(xiàng)基本屬性。并且經(jīng)過(guò)較長(zhǎng)的保溫時(shí)間后，觀察可見明顯增大的顆粒間隔距離，并且體現(xiàn)為顯著減少的硅相顆粒比例。由此可見，在持續(xù)長(zhǎng)時(shí)間進(jìn)行保溫處理的基礎(chǔ)上，溶液基體內(nèi)部將會(huì)融入更多的硅元素與鎂元素。與此同時(shí)，某些未能被溶解的硅顆粒也會(huì)繼續(xù)表現(xiàn)為沉淀現(xiàn)象。

圖3.1-1和圖3.1-2所示的組織均為固溶淬火+時(shí)效處理的組織。在某些情況下，析出的基體顆粒呈現(xiàn)球狀的均勻分布形態(tài)，并且不再表現(xiàn)為卵狀的最初形狀。

3.2 鐵含量對(duì)微觀組織的影響

圖3.2-1顯示了α-Al相（初生）部分整體上呈現(xiàn)白色。然而經(jīng)過(guò)凝固處理以及冷卻處理后，此類物質(zhì)將會(huì)轉(zhuǎn)變成樹枝狀或者晶粒狀的特殊形態(tài)。因此可以判斷出，此類的鋁合金物質(zhì)仍然不具備最佳的韌性、強(qiáng)度以及可塑性。為了達(dá)到全面優(yōu)化物質(zhì)性能的效果，那么關(guān)鍵在于增強(qiáng)鋁合金物質(zhì)固有的可塑性特征，并且還要運(yùn)用適當(dāng)?shù)募夹g(shù)措施來(lái)實(shí)現(xiàn)針對(duì)鋁合金整體強(qiáng)度的提升。

圖3.2-2中顯示了共晶的硅相物質(zhì)主要呈現(xiàn)深灰色，但是不規(guī)則的鐵相鋁合金同樣也呈現(xiàn)灰色的顏色。富含鐵相物質(zhì)的鋁合金具有較差的切削性能，因而很難達(dá)到提升力學(xué)性能的效果。在此前提下，技術(shù)人員就需要運(yùn)用適當(dāng)措施來(lái)進(jìn)行富含鐵相物質(zhì)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)改進(jìn)。唯有如此，鋁合金材料才會(huì)達(dá)到較好的力學(xué)特性，同時(shí)也能達(dá)到有效改進(jìn)力學(xué)特性的效果。

經(jīng)過(guò)分析可見，金屬化合物以及鐵相物質(zhì)之間可以產(chǎn)生特定的化學(xué)反應(yīng)，進(jìn)而生成了穩(wěn)定性較強(qiáng)的晶粒物質(zhì)。對(duì)于金屬狀態(tài)的鋁合金液體來(lái)講，A19FeMg3Si物質(zhì)占據(jù)較低的含量比例。然而與之相比，A15FeSi物質(zhì)本身也包含了較高比例的金屬化合物，此外還包含較多的晶粒物質(zhì)。對(duì)于呈現(xiàn)灰色的共晶硅而言，合金組織的內(nèi)部包含較多的此類共晶元素。但是實(shí)際上，此類共晶物質(zhì)并不具有規(guī)則的物質(zhì)形態(tài)。經(jīng)過(guò)觀察可見，共晶物質(zhì)的邊界仍然是十分清晰的，而塊狀的不規(guī)則形態(tài)主要體現(xiàn)在硅元素的分布上。

例如對(duì)于呈現(xiàn)樹枝狀的α-Al相（初生）物質(zhì)而言，此類物質(zhì)呈現(xiàn)混亂以及不規(guī)則的形態(tài)。晶體如果處于初生的狀態(tài)，那么將會(huì)呈現(xiàn)特定的生長(zhǎng)方向。并且對(duì)于合金組織內(nèi)部散布的針狀或者長(zhǎng)條狀的粗大硅相物質(zhì)來(lái)講，如果沒有做到有效控制硅相物質(zhì)蔓延，那么很可能呈現(xiàn)組織斷裂的現(xiàn)象。并且在多數(shù)情況下，晶粒物質(zhì)還可能會(huì)聚集較多的受力點(diǎn)，并且最終造成力學(xué)性能的明顯降低。

3.3 力學(xué)性能結(jié)果分析

通過(guò)對(duì)3種不同含量成分、各3組試樣進(jìn)行性能測(cè)試，具體數(shù)據(jù)如表2。

由表2可知，隨著鐵含量下降，A356 鋁合金的抗拉力強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度有所上升。

3.4 斷口形貌分析

拉伸試驗(yàn)后，對(duì)于原有的試驗(yàn)物質(zhì)通過(guò)運(yùn)用化學(xué)反應(yīng)的方式，從而將其轉(zhuǎn)變?yōu)榻鹣嘣嚇?。并且，?duì)于縱向的試樣斷裂剖面進(jìn)行了詳細(xì)觀察，如下圖。針對(duì)斷口形態(tài)在進(jìn)行詳細(xì)觀察后，可以察覺到邊緣的斷口部位分布著較多的硅粒子。此外，擴(kuò)展裂紋的大致方向?yàn)楣簿Ч桦x子的裂紋延伸方向。在離斷口面稍近位置處可以觀察到鑄造縮孔，同時(shí)在斷口邊緣可觀察到斷裂的共晶硅粒子。

3.5 力學(xué)性能差異的原因分析

隨著鐵含量上升，A356鋁合金的抗拉力強(qiáng)度有所下降。因此如果要達(dá)到明顯提升合金固有力學(xué)性能的效果，那么關(guān)鍵在于適當(dāng)降低鐵元素在整個(gè)鋁合金中占據(jù)的比例。例如在保持0.6%的鐵元素比例時(shí)，鋁合金物質(zhì)就會(huì)維持穩(wěn)定性較強(qiáng)的斷面收縮性以及延伸率。這主要是由于，析出后的鐵元素多數(shù)呈現(xiàn)針狀的特殊形態(tài)，因此在客觀上能夠達(dá)到割裂鋁合金基體的效果。

由于受到拉伸力導(dǎo)致的明顯影響，那么鋁合金就會(huì)突然表現(xiàn)為碎裂的現(xiàn)象。在某些情況下，鐵元素如果呈現(xiàn)總量下降的現(xiàn)象，那么α-Fe 相的物質(zhì)將會(huì)代替原有的 β-Fe 相物質(zhì)，此種物質(zhì)改變同樣也會(huì)影響到鋁合金的基本性能。尤其是對(duì)于拉伸性能較差的鋁合金物質(zhì)而言，如果運(yùn)用以上的物質(zhì)轉(zhuǎn)化方式，則可以達(dá)到拉伸性能顯著增強(qiáng)的效果。

4 研究總結(jié)與創(chuàng)新點(diǎn)

1.一般對(duì)鋁合金雜質(zhì)的研究，特別是對(duì)Fe的雜質(zhì)影響的研究分析，一般設(shè)計(jì)合金成分為2%向0.6%比例區(qū)間分析，而本文針對(duì)A356合金成分設(shè)計(jì)時(shí)從0.2%到0.02%之間進(jìn)行分析，具有較大的突破性;

2.鐵元素在整個(gè)鋁合金中如果呈現(xiàn)變化的比例，那么與之有關(guān)的各種合金物質(zhì)也會(huì)相應(yīng)改變固有的尺寸與數(shù)量，其中典型為β-Fe以及α-Fe相的合金物質(zhì)。例如在減少鐵含量的前提下，針狀的合金物質(zhì)也會(huì)呈現(xiàn)明顯降低的比例，但是卻會(huì)明顯增大原有的α-Fe相比例。

3.A356鋁合金中Fe含量的改變引起合金內(nèi)部富鐵相改變。在減少鐵元素比例的情況下，合金物質(zhì)將會(huì)增大固有的力學(xué)特性。由此可見，鐵元素比例以及合金性能之間具有內(nèi)在的聯(lián)系。

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