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。
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。
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。
结论
(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
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