低壓鑄造AlSi9Cu1Mg-T6合金組織性能分析

李占佳　杜林奇　任傳斌　徐麒　沈梅杰　李擴　盛曉菲　頓亞鵬　魏啟金

摘? 要：文章通過對AlSi9Cu1Mg合金鑄錠進行力學性能檢測，組織分析，發現該合金鑄造缺陷較多。同時對AlSi9Cu1Mg合金進行T6熱處理，并對組織性能進行分析，得到如下結論：1. 低壓鑄造AlSi9Cu1Mg合金成分設計較為合理，能夠通過T6處理進行強化。2. 低壓鑄造AlSi9Cu1Mg合金存在大量長條狀Si相，灰色Al-Si相，以及大量氣孔/疏松，合金生產控制過程有待提高。3. 低壓鑄造AlSi9Cu1Mg合金經過固溶時效T6熱處理后，抗拉強度得到大幅提高，延伸率依舊較低，主要是因為合金中依舊存在大量棒狀Si相和大量氣孔/疏松缺陷。

關鍵詞：AlSi9Cu1Mg;T6;性能

中圖分類號：TG146.2+1 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2019）34-0025-06

Abstract： In this paper， the mechanical properties of AlSi9Cu1Mg alloy ingots were tested and analyzed. It was found that the alloy had many casting defects. At the same time， the AlSi9Cu1Mg alloy was subjected to T6 heat treatment， and the microstructure and properties were analyzed. The following conclusions were obtained： （1） The composition of the low-pressure casting AlSi9Cu1Mg alloy is reasonable and can be strengthened by T6 treatment. （2） Low-pressure casting AlSi9Cu1Mg alloy has a large number of long-shaped Si phase， gray Al-Si phase， and a large number of pores/looseness. The alloy production control process needs to be improved. （3） After low-temperature casting AlSi9Cu1Mg alloy after solid solution aging T6 heat treatment， the tensile strength is greatly improved， and the elongation is still low， mainly because there are still a large number of rod-like Si phases and a large number of pore/loose defects in the alloy.

Keywords： AlSi9Cu1Mg; T6; properties

鑄造AlSiCu系合金，是一種非常重要的AlSi鑄造合金，具有力學性能良好，鑄造性能良好，同時還具有較好的機加工性能，因此被廣泛應用于汽車零部件[1-3]。AlSi鑄造合金添加了Cu元素后，非常容易形成細小彌散分布的Al2Cu相，能夠有效的改善合金的力學性能。但是大量Si顆粒以及樹枝狀α-Al的存在，會影響合金的拉伸性能，特別是延伸率，這影響了該合金的應用范圍[4]。

本文以東風汽車有限公司通用鑄鍛廠通過低壓鑄造生產的AlSi9Cu1Mg合金作為研究對象，研究其鑄態及T6態組織性能，并提出改進建議，為AlSi9Cu1Mg合金的進一步應用提供一定的理論參考。

AlSi9Cu1Mg合金名義成分（wt，%）范圍為：Si：8.3～9.7;Cu：0.8～1.3;Mg：0.30～0.65;Mn：0.15～0.55;Fe：0.7～0.8;Ni： 0.20;Zn：0.8;Pb：0.10;Sn：0.10;Ti：0.10～0.18;Al：余量。

AlSi9Cu1Mg合金鑄錠采用低壓鑄造工藝，其生產工藝可以概括為：熔煉（790℃～810℃）→加除渣劑、變質劑、細化劑→人工攪拌→吹氬氣精煉→人工攪拌→靜置→密度/成分檢測→澆鑄（670℃～720℃）。

拉伸實驗在Instron 8032萬能材料力學拉伸機上進行，拉伸速度為2mm/min。拉伸實驗樣品從產品本體上獲取，通過電火花切割成圖1非標尺寸，加持部分Ra3.2，其余部分Ra1.6，公差為±10%。

掃描電鏡觀察（SEM）和斷口觀察在FEI Sirion200場發射掃描電鏡上進行，掃描電鏡工作電壓為20kV。

1 低壓鑄造AlSi9Cu1Mg合金鑄錠力學性能及組織分析

首先對低壓鑄造AlSi9Cu1Mg合金鑄錠進行了力學性能測試（表1）。根據表1所示的力學性能結果，可以看到低壓鑄造AlSi9Cu1Mg合金鑄錠的平均值為抗拉強度：200MPa，延伸率：1.25%，延伸率過低，無法通過引伸計計算合金鑄錠的屈服強度。

為了進一步研究合金延伸率過低的原因，對拉伸樣品的斷口進行掃描電鏡二次電子像觀察，結果如圖2所示。圖2a為斷口低倍二次電子像，可以看到合金的斷口坑洼現象比較嚴重，合金中可能存在較大缺陷。圖2b為1000倍的斷口二次電子像，可以看到合金斷口放大后出現大量韌窩，但是韌窩尺寸較小，大約10μm，甚至更小，說明合金塑性較差。圖2c為5000倍下的斷口形貌，發現存在裂紋，進一步說明合金塑性較差。圖2d為斷口觀察時發現的一個巨大氣孔，尺寸超過100μm。

圖3為低壓鑄造AlSi9Cu1Mg合金鑄錠掃描電鏡下的背散射圖像。圖3a為低倍宏觀圖像，可以看到低壓鑄造AlSi9Cu1Mg合金鑄錠中存在大量的氣孔或者疏松，這些缺陷的存在嚴重影響了合金的力學性能，特別是延伸率，同時也對抗拉強度有非常大的影響。這些缺陷在受力時，容易成為應力集中點，變形過程中位錯容易在這些缺陷的地方聚集，最終形成裂紋源。圖3b為高倍下低壓成形AlSi9Cu1Mg鑄態合金的背散射圖像，可以看到合金中存在三種顏色，白色相，灰色相，深灰色相。白色為Si相，灰色為Al和Si的混合相，深灰色為Al基體。Si相主要分布在枝晶晶界處，呈長條狀或塊狀。這些長條狀或塊狀的Si相，在變形過程中，因為硬度較Al基體高，且結合強度較低，容易形成應力集中，生成裂紋源，導致合金提前斷裂，影響合金力學性能[5，6]。Si相呈長條或塊狀，說明合金變質效果不理想。

2 T6熱處理對低壓鑄造AlSi9Cu1Mg合金力學性能組織的影響

低壓鑄造AlSi9Cu1Mg合金的一般應用狀態為熱處理T6態，因此，對AlSi9Cu1Mg合金進行T6處理，T6處理工藝參數為：固溶515℃×6h，時效工藝為：160℃×8h。T6處理結束后，對合金進行取樣測試。表2為T6熱處理后低壓鑄造AlSi9Cu1Mg合金力學性能測試結果。

低壓鑄造AlSi9Cu1Mg合金經T6熱處理后，合金性能有了明顯的提升，平均抗拉強度從未處理前的200MPa提升至312MPa，提升幅度達到了56%。但是合金的延伸率依舊非常低，平均值為1.65%，因此，無法準確測量其屈服強度。

為了進一步研究T6熱處理對合金的組織影響，對拉伸斷口（圖4）和T6處理后合金（圖5）進行了掃描電鏡觀察。

圖4a為低倍宏觀斷口形貌，較鑄態合金的斷口，沒有明顯區別。圖4b為高倍斷口二次電子照片，可以看到合金的斷口韌窩依舊小而淺，塑性沒有得到改善。

圖5為不同倍數下AlSi9Cu1Mg-T6合金的掃描電鏡背散射圖像。

圖6為AlSi9Cu1Mg合金鑄錠和T6處理后的合金的掃描電鏡背散射圖像對比圖。

圖5a為AlSi9Cu1Mg合金經T6熱處理后，合金的宏觀背散射照片，可以看到，合金中依舊存在大量的缺陷，影響了力學性能。隨著放大倍數的放大，發現，合金中的白色Si相經過T6處理后形狀從長條狀轉變為短棒狀，灰色第二相減少。為了更直觀的對比，把低壓鑄造AlSi9Cu1Mg合金鑄錠SEM照片和T6處理后SEM照片進行直接對比，如圖6，可以看到，經過固溶時效處理后，合金中的白色Si相和灰色Al-Si相大量溶解，邊緣相對球化，合金性能大幅提升。

3 分析討論

Al-Si合金是很重要的一種工業合金，廣泛地應用于航空、交通、建筑、汽車等重要行業。鋁是第三主族元素，而硅是半導體元素，兩者相互間的固溶度很小。[7，8]AlSi9Cu1Mg合金中基體元素為Al，添加了8.3%～9.7%的Si，Si的添加量低于AiSi共晶的12.5%，因此AlSi9Cu1Mg合金屬于亞共晶，主要有α-Al+AlSi共晶構成。合金中加入0.30%～0.65%Mg，是為了在固溶時效處理時，通過Mg和Si的結合，產生半共格β''相（Mg2Si）對基體進行強化，引起基體晶格畸變，阻礙位錯運動，增加合金的力學性能。加入0.8%～1.3%的Cu元素是為了增加α-Al的晶格畸變、生成Al2Cu相和AlXMg5Cu4Si4相對基體進行強化。

AlSi9Cu1Mg合金經過固溶處理后，合金中部分Si，全部的Mg，Cu，以溶質原子的形式，溶解在Al基體中，在隨后的人工時效過程中析出，形成β''相（Mg2Si）、Al2Cu相和AlXMg5Cu4Si4相對基體進行第二相強化，大幅度提升AlSi9Cu1Mg合金的力學性能。合金鑄錠的抗拉強度僅僅只有200MPa，固溶加人工時效后，抗拉強度增加至312MPa，提升幅度達到了56%，說明合金的成分設計，熱處理工藝設計都比較合理。

但是合金的延伸率卻非常低。主要原因有：

（1）合金中存在大量氣孔或疏松，變形過程中成為應力集中點，最終成為裂紋源，導致合金拉伸性能不佳，也會影響合金的抗拉強度和屈服強度。

（2）合金中粗大的長條狀過剩Si相，即使經過固溶人工時效處理，依舊存在大量的棒狀Si相（圖6b）。這些過剩Si相性質和基體不同，變形過程中容易成為裂紋源，影響合金力學性能。

通過分析延伸率不佳的原因，可以發現AlSi9Cu1Mg合金延伸率不佳的原因主要是生產工藝和Si相形貌分布的控制問題，因此，提出如下改進建議：

（1）增強Si的變質效果，把長條狀或板狀的過剩Si相調整成圓整度較好的Si顆粒。

（2）減少氣孔，疏松等缺陷。

（3）盡量細化晶粒，能夠有效提升合金的力學性能。

4 結論

通過對低壓鑄造AlSi9Cu1Mg合金鑄錠以及T6處理后的合金的檢測分析，得到如下結論：

（1）低壓鑄造AlSi9Cu1Mg合金成分設計較為合理，能夠通過T6處理進行強化。

（2）低壓鑄造AlSi9Cu1Mg合金存在大量長條狀Si相，灰色Al-Si相，以及大量氣孔/疏松，合金生產控制過程有待提高。

（3）低壓鑄造AlSi9Cu1Mg合金經過固溶時效T6熱處理后，抗拉強度得到大幅提高，延伸率依舊較低，主要是因為合金中依舊存在大量棒狀Si相和大量氣孔/疏松缺陷。

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