原標(biāo)題：澆注溫度對(duì)壓鑄Al-10Si-0.3Mg鋁合金組織演變及性能影響

摘要：主要研究了 Al-10Si-0.3Mg鋁合金壓鑄過程中不同澆注溫度對(duì)其組織演變及性能影響，結(jié)果表明，當(dāng)澆注溫度為650 oC時(shí)，合金的力學(xué)性能與熱導(dǎo)率最優(yōu)。隨著澆注溫度升高，合金冷卻速率減小，一次枝晶和二次枝晶間距增加，初晶Si及α-Al的尺寸增大，強(qiáng)度下降；氣孔數(shù)量增加，有效導(dǎo)熱面積減小，熱導(dǎo)率下降，合金的斷口中韌窩數(shù)量和尺寸減少，從而使合金的塑性降低。

隨著5G通訊時(shí)代的到來，交通與通訊領(lǐng)域產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)朝著集成化、輕量化方向發(fā)展，因此對(duì)材料散熱性能及承載能力的要求不斷增加。對(duì)于通訊和和交通領(lǐng)域復(fù)雜的散熱結(jié)構(gòu)件，由于其壁厚不均，對(duì)材料流動(dòng)性及散熱性能要求越來越高，使用鑄造鋁硅合金既可以滿足其成形性又能大批量生產(chǎn)。傳統(tǒng)的鋁硅系鑄造鋁合金，如ADC12的熱導(dǎo)率為92 W/(m•K)，屈服強(qiáng)度為156 MP，已經(jīng)不能滿足其性能要求，國內(nèi)研究者根據(jù)成分、工藝、組織性能展開一系列研究，以提高鋁合金的綜合性能。近年來日本開發(fā)了DMS系列及DX系列高導(dǎo)熱鑄造鋁合，其中DMS1、DMS3、DX17、DX19合金的熱導(dǎo)率高達(dá)150~210W/(m•K)，然而屈服強(qiáng)度小于120 MPa，DMS5是ADC12的換代產(chǎn)品，熱導(dǎo)率大約為ADC12的1.6倍，屈服強(qiáng)度與ADC12相近。本課題自行設(shè)計(jì)的Al-10Si-0.3Mg壓鑄鋁合金具有良好的流動(dòng)性，可熱處理強(qiáng)化，熱導(dǎo)率與DMS5接近，屈服強(qiáng)度高于DMS5，成形性與ADC12相當(dāng)，耐蝕性優(yōu)于ADC12，可以滿足新一代通訊器件及汽車散熱零部件對(duì)于較高熱導(dǎo)率及屈服強(qiáng)度的迫切需求。

澆注溫度對(duì)鑄件性能和質(zhì)量有重要的影響，房元明等通過對(duì)鋁合金的連桿壓鑄件模擬，發(fā)現(xiàn)了澆注溫度對(duì)鑄件的缺陷有重要影響，王紹著等生產(chǎn)鋁合金汽車支架，使用近液相線的澆注溫度，可獲得均勻細(xì)小的球狀組織。采用JMatPro軟件模擬Al-10Si-0.3Mg鋁合金的液相線較ADC12高10 oC，選擇合適的澆注溫度對(duì)于改善其綜合性能有著重要的作用。當(dāng)?shù)蜏貪沧r(shí)，合金流動(dòng)性降低，導(dǎo)致壓鑄充型較為困難，采用較高的澆注溫度會(huì)使合金的收縮增加，金屬液中的氣體溶解度增大，疏松和氣孔等缺陷容易產(chǎn)生，從而降低合金的性能甚至造成產(chǎn)品報(bào)廢因此。本課題以Al-10Si-0.3Mg為對(duì)象，研究了澆注溫度對(duì)其組織、力學(xué)性能及熱導(dǎo)率的影響，確定了Al-10Si-0.3Mg鋁合金合適的澆注溫度，旨在實(shí)現(xiàn)改善合金性能、提升鑄件質(zhì)量的目的。

1、試驗(yàn)方案

1.1 合金成分

本試驗(yàn)的Al-10Si-0.3Mg系合金是自行設(shè)計(jì)的成分，綜合考慮流動(dòng)性、強(qiáng)度及導(dǎo)熱性，其化學(xué)成分見表1。采用的主要原料為99.9%的純鋁、2202結(jié)晶硅、純鎂錠、75%鐵添加劑。

表1. 合金的主要成分wb/%

1.2 制備過程

配制合金200 kg，在300 kg電阻爐中熔化，首先進(jìn)行烘爐，待爐溫達(dá)到700 ℃時(shí)加入99.9%純鋁錠，熔化3 h，待鋁錠完全熔化并且鋁液溫度達(dá)到800 ℃時(shí)加入2202結(jié)晶硅，升溫至850~900 oC熔硅，期間不斷攪拌，直至完全熔化。隨后加入鐵添加劑，攪拌，待完全熔化后加Mg，鎂塊完全浸入鋁液中，杜絕明火，攪拌5 min后進(jìn)行熔劑精煉，精煉溫度為710-730 oC，精煉劑使用無鈉無鈣精煉劑，使用量按2 kg/t，轉(zhuǎn)速為250~350 r/min，氣體流量為5~10 L/min。精煉時(shí)間為20min。精煉完成后扒渣、成分達(dá)到稍高設(shè)計(jì)值時(shí)，取樣，在斯派克M12(LAB)直讀光譜儀上進(jìn)行分析，成分合格后進(jìn)行壓鑄，本試驗(yàn)過程在同一爐次中完成，且順序?yàn)榈蜏氐礁邷亍?/p>

采用DCC280 型 2800 kN壓鑄機(jī)，其鎖模力為 280 k N，料柄厚度大約為 15 mm，采用模溫機(jī)控制模具表面溫度，設(shè)定為 200 ℃。壓射力為 330 k N，壓射時(shí)間為 3.5 s，冷卻時(shí)間為 2.0 s，壓鑄時(shí)充頭的行程位置：一快位置設(shè)定為 100 mm，二快設(shè)定為250 mm，選擇增壓的位置為280 mm，所成形的標(biāo)準(zhǔn)拉伸試棒見圖1。為了研究澆注溫度對(duì)試樣顯微組織、力學(xué)性能及熱導(dǎo)率的影響，一共制備了 650、680、720 ℃ 3組澆注溫度的試樣。

圖1:壓鑄力學(xué)性能試棒及熱導(dǎo)率試樣

1.3 組織性能分析

采用深圳三思電子萬能試驗(yàn)機(jī)測(cè)試?yán)煸嚢舻牧W(xué)性能，拉伸速率為1 mm/mm；將壓鑄Ф12.7 mm×2mm的標(biāo)準(zhǔn)熱導(dǎo)導(dǎo)率試樣（見圖1），采用德國耐馳LFA467激光閃射儀測(cè)試；從拉伸試棒中間標(biāo)距段內(nèi)取樣，通過標(biāo)準(zhǔn)制樣程序制備金相試樣并腐蝕后后，采用Olympus GX53型顯微鏡及Phenom XL臺(tái)式掃描電鏡對(duì)試樣進(jìn)行顯微組織觀察和分析。

2、試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 顯微組織觀察

圖2為不同澆注溫度下合金的金相組織?？梢钥闯?，組織中白色的圓狀與橢圓狀組織為初生α-Al，短小針狀與枝晶間白色α固溶體構(gòu)成(α+Si)共晶，并且有少量初晶硅存在。黑色的點(diǎn)狀物為氣孔，由于合金的Mg含量較低，只有少量的Mg2Si呈顆粒狀態(tài)、魚骨狀、樹枝狀存在。另外，可以看出隨著壓鑄溫度升高，合金的氣孔逐漸增多，初晶Si及α-Al的尺寸增大，因?yàn)榻饘黉X具有很好的塑性，但是其強(qiáng)度較低，然而隨著澆注溫度升高，合金中氣孔數(shù)量增加，致使金屬鋁的的塑性優(yōu)勢(shì)難以體現(xiàn)，且初晶Si為脆應(yīng)相，尖端及邊部容易造成應(yīng)力集中，其尺寸增大致使合金的強(qiáng)度進(jìn)一步降低。

圖2:不同澆注溫度時(shí)Al-10Si-0.3Mg鋁合金的微觀組織

2.2 不同澆注溫度下合金X光無損檢測(cè)圖

圖3 為不同壓鑄溫度下合金X光無損檢測(cè)圖。可以明顯看到隨著壓鑄溫度升高，鑄件中的氣孔逐漸增多，由650 oC壓鑄時(shí)的點(diǎn)狀分布的氣孔變成720 oC時(shí)的網(wǎng)狀分布的氣孔。當(dāng)壓鑄溫度升高時(shí)，金屬液的冷卻梯度變大，凝固時(shí)的體積收縮量大，鑄件內(nèi)部形成氣孔，這與鑄件金相組織中觀察到的結(jié)果一致。

圖3:不同澆注溫度下Al-10Si-0.3Mg鋁合金X光無損檢測(cè)圖

2.3 不同澆注溫度的Al-10Si-0.3Mg鋁合金的力學(xué)性能

圖4為隨著壓鑄溫度的變化鑄件的力學(xué)性能。可以看出壓鑄件試樣的平均力學(xué)性能隨著壓鑄溫度的升高而降低。澆注溫度為650 oC時(shí)，合金抗拉強(qiáng)度，屈服強(qiáng)度及伸長率取得最大值，分別為298MPa，201MPa，5.62%。當(dāng)壓鑄溫度升高，其他參數(shù)（速度、時(shí)間、壓力）保持不變時(shí)，填充結(jié)束后壓鑄件的溫度會(huì)相應(yīng)的升高，合金的凝固時(shí)間增加，導(dǎo)致其凝固速度降低，因此造成合金晶粒變得粗大，一次枝晶和二次枝晶間距增加，氣孔數(shù)量增加，從而導(dǎo)致合金的力學(xué)性能變差。壓鑄鋁合金的性能優(yōu)劣取決于初生α-Al相、共晶Si、初晶Si、二次相金屬間化合物及氣孔的形態(tài)、大小和分布。

圖4:不同澆注溫度時(shí)Al-10Si-0.3Mg鋁合金的力學(xué)性能

2.4 不同澆注溫度的Al-10Si-0.3Mg鋁合金熱導(dǎo)率及密度

圖5為Al-10Si-0.3Mg合金的熱導(dǎo)率和密度?？梢钥闯?，隨著澆注溫度升高，合金的熱導(dǎo)率和密度均下降，這是因?yàn)椋瑵沧囟壬?，合金中氣孔的?shù)量增多，有效導(dǎo)熱面積減小，從而使得合金的熱導(dǎo)率下降。同時(shí)第二相貌的改變，造成晶格畸變?cè)龃?。電子、晶格震?dòng)波和電磁輻射是金屬中傳導(dǎo)熱量的載體，傳導(dǎo)的總熱量是各載體傳導(dǎo)的疊加，金屬中存在大量的自由電子，能夠迅速實(shí)現(xiàn)熱量傳遞，電子傳熱是其主要傳熱方式。因此凡是對(duì)金屬內(nèi)部的組織產(chǎn)生不均勻的因素，都會(huì)增加電子波的散射，從而導(dǎo)致合金的熱導(dǎo)率降低。

圖5:不同澆注溫度時(shí)Al-10Si-0.3Mg鋁合金的熱導(dǎo)率與密度

2.5 不同澆注溫度的Al-10Si-0.3Mg鋁合金斷口形貌

圖6是不同澆注溫度下鑄件拉伸后的斷口形貌圖。對(duì)于鋁硅合金來說，隨著枝晶尺寸的變小，合金的斷裂模式由穿晶斷裂轉(zhuǎn)變?yōu)檠鼐嗔选６驹囼?yàn)中的合金組織中的第二相主要為金屬間化合物，初晶Si、共晶Si，這些第二相對(duì)合金的拉伸斷裂有很大的影響。當(dāng)壓鑄溫度為650 oC時(shí)，斷口表面有大量的韌窩，韌窩比較淺和小，在斷口表面大量分布著準(zhǔn)解理面，同時(shí)可以看到分布著河流狀花紋，因此合金塑性相對(duì)較好，見圖6a。當(dāng)壓鑄溫度升高到680 oC時(shí)，斷口形貌中有撕裂棱存在，韌窩數(shù)量及尺寸減少，見圖6b。從圖6 c可以看出，720 oC時(shí)斷口形貌存在平坦面且韌窩數(shù)量極少，使塑性進(jìn)一步變差。

圖6:不同澆注溫度時(shí)Al-10Si-0.3Mg鋁合金拉伸斷口形貌

3、結(jié)論

（1）澆注溫度為650 oC時(shí)，合金抗拉強(qiáng)度，屈服強(qiáng)度及伸長率取得最大值，分別為298 MPa，201 MPa，隨著澆注溫度升高 ，冷卻速率小，組織中的初晶Si及α-Al的尺寸增大，一次枝晶和二次枝晶間距增加，合金的力學(xué)性能下降。

（2）隨著澆注溫度升高，合金吸氣嚴(yán)重，合金密度減小，有效導(dǎo)熱面積減小，從而使得合金的熱導(dǎo)率下降。

（3）通過掃描電鏡觀察斷口形貌，當(dāng)澆注溫度升高時(shí)，合金的斷口中韌窩數(shù)量和尺寸減少，從而使合金的塑性下降。

文章作者

閆俊 范衛(wèi)忠 高偉全
華勁新材料研究院（廣州）有限公司

石帥
河鋼集團(tuán)鋼研總院

本文來自:《特種鑄造及有色合金》雜志2021年第41卷第11期