T5處理對(duì)鋁合金(高真空)壓鑄件性能的影響

劉金輝發(fā)表于2024/6/20 10:11:23 T5熱處理鑄件性能鋁合金

原標(biāo)題：華南理工&文燦集團(tuán)：T5處理對(duì)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(qiáng)度高、易于成形和耐腐蝕等特點(diǎn)，被認(rèn)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(chǎn)效率高，能成形多種復(fù)雜的薄壁零件。但是普通壓鑄具有高速高壓的特點(diǎn)，易產(chǎn)生紊流，導(dǎo)致氣體卷入，殘留在鑄件中形成氣孔，從而導(dǎo)致鑄件的力學(xué)性能下降，在后續(xù)熱處理過(guò)程中還會(huì)出現(xiàn)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(shí)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(shí)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(qiáng)度、高耐熱性，具有良好的綜合力學(xué)性能。為了獲得優(yōu)異的力學(xué)性能，Al合金通常需要進(jìn)行T6熱處理。然而，在實(shí)際生產(chǎn)制造過(guò)程中，應(yīng)該避免進(jìn)行高溫固溶處理，以防止鋁合金產(chǎn)品起泡和尺寸變形。此外，據(jù)報(bào)道，使用高溫固溶處理幾乎會(huì)使最終鑄件的成本增加一倍。因此，T5處理對(duì)于生產(chǎn)鑄造鋁合金至關(guān)重要。研究者研究了AlSi7CuMnMg壓鑄合金的低溫時(shí)效工藝，發(fā)現(xiàn)最佳時(shí)效工藝為170℃×6h，此種條件下抗拉強(qiáng)度為303MPa，屈服強(qiáng)度為183MPa，伸長(zhǎng)率為7.5%。通過(guò)優(yōu)化Cu的含量開(kāi)發(fā)T5熱處理觸變鑄造Al-7Si-0.5Mg-0.5Cu合金，發(fā)現(xiàn)合金抗拉強(qiáng)度為296MPa，屈服強(qiáng)度為209MPa，伸長(zhǎng)率為8.8%，力學(xué)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(jiàn)的Al-Si-Mg系壓鑄合金，關(guān)于高真空壓鑄Al-10Si-Mg-Mn合金添加Cu元素的研究報(bào)道較少。因此，本研究通過(guò)高真空壓鑄制備不同Cu含量的Al-10Si-Mg-Mn合金，采用光學(xué)顯微鏡（OM）、掃描電鏡（SEM）和透射電鏡（TEM）對(duì)鑄態(tài)和T5態(tài)合金微觀組織進(jìn)行研究。研究Cu含量和T5熱處理對(duì)合金微觀組織的影響，為Al-10Si-Mg-Mn合金中Cu的添加量?jī)?yōu)化提供參考。

圖文結(jié)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(jī)，配備真空設(shè)備，壓鑄過(guò)程實(shí)際測(cè)得的真空度小于5kPa。試驗(yàn)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(wěn)定保持在700℃左右時(shí)，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(zhì)劑為Al-10Sr合金，細(xì)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(jìn)行澆注，壓鑄模具預(yù)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(shí)測(cè)成分見(jiàn)表1。實(shí)際壓鑄件見(jiàn)圖1，厚度分別為2、4、6和8mm的4種拉伸試樣。

表1 試驗(yàn)合金的化學(xué)成分(%)

圖1 壓鑄試樣實(shí)物圖

圖2 拉伸試樣尺寸

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

可以看出，3組合金的鑄態(tài)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(biāo)記為α1-Al和α2-Al。這是因?yàn)閴鸿T凝固過(guò)程是一個(gè)兩階段過(guò)程，當(dāng)熔化后的鋁液倒入壓室，壓室內(nèi)相對(duì)較低的溫度能夠?qū)X液冷卻至液相線溫度以下，此時(shí)α1-Al晶粒在壓室中開(kāi)始形核并生長(zhǎng)，因此也被稱為壓室預(yù)結(jié)晶。這些晶粒伴隨著未凝固鋁液一同進(jìn)入模具型腔，因?yàn)橛谐渥銜r(shí)間長(zhǎng)大，造成最終尺寸較粗大。在模具型腔填充過(guò)程中，由于冷卻速率非?？?，因此形成了更細(xì)小、形狀也更為圓整的α2-Al晶粒。經(jīng)Sr元素變質(zhì)后的共晶Si呈纖維狀，同時(shí)在共晶區(qū)存在呈現(xiàn)出多邊形的富Fe相，通過(guò)EDS能譜分析確認(rèn)其為α-Fe相。

(a)1號(hào)SEM (b)2號(hào)SEM (c)3號(hào)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(tài)SEM形貌和EDS結(jié)果

表2 高真空壓鑄Al-10Si-0.5Mn-0.4Mg-xCu合金鑄態(tài)金屬間化合物面積分?jǐn)?shù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果

圖5 高真空壓鑄Al-10Si-0.5Mn-0.4Mg-xCu合金平均硬度與時(shí)效時(shí)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(tài)金相組織依然由α-Al、Al-Si共晶區(qū)及α-Fe組成，與鑄態(tài)合金相比，α-Al、共晶Si相和α-Fe相的形貌沒(méi)有發(fā)生明顯變化。圖7為合金經(jīng)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(yīng)的EDS分析結(jié)果顯示，金屬間化合物仍為α-Fe、Q和θ相，形貌沒(méi)有發(fā)生變化。表3為峰值時(shí)效時(shí)1~3號(hào)合金中α-Fe、Q和θ相的面積分?jǐn)?shù)，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(tài)合金結(jié)果相比，金屬間化合物面積分?jǐn)?shù)沒(méi)有發(fā)生明顯變化，表明T5熱處理不會(huì)改變相類型和數(shù)量。