自然時(shí)效新型壓鑄鋁合金AlSi9Cu3Zn3的研究

曾 鷹

（中國(guó)汽車(chē)工程研究院，重慶 401122）

在汽車(chē)氣制動(dòng)閥閥體及活塞、變速器換擋閥閥體、離合器助力器殼體等零部件中的鋁合金壓鑄件，其材料通常采用 ALSi12Cu1、YL104、YL112、ADC12等牌號(hào)鋁合金[1-4]。這些汽車(chē)零部件產(chǎn)品尺寸不大，但要求較高：一是閥體在0.8～1.2 MPa氣壓下，不能有滲漏，這就要求閥體金屬組織致密；二是密封面表面粗糙度要求較高（0.4～0.8 μm），這就要求閥體鑄件硬度高、機(jī)床轉(zhuǎn)速高、加工刀具設(shè)計(jì)科學(xué)合理；三是閥體一般壁厚為4～8 mm，屬薄壁件，加工后不能有變形，這就要求閥體材料綜合力學(xué)性能好，鑄件需經(jīng)人工時(shí)效處理或在空氣中放置較長(zhǎng)時(shí)間（估計(jì)3個(gè)月以上），夾具設(shè)計(jì)要科學(xué)合理；四是無(wú)論是靜密封還是動(dòng)密封面，加工以后都不能有氣孔、縮孔等鑄造缺陷，這就要求壓鑄模設(shè)計(jì)和壓鑄工藝參數(shù)設(shè)置合理。從閥體類(lèi)產(chǎn)品以上幾項(xiàng)特性要求來(lái)看，當(dāng)前的壓鑄、機(jī)加工技術(shù)以及采用人工時(shí)效后的YL112等牌號(hào)鋁合金基本能滿(mǎn)足產(chǎn)品要求。

“十二五規(guī)劃”開(kāi)始，國(guó)家對(duì)高燃耗的鑄造行業(yè)提出了更嚴(yán)格的“節(jié)能減排”要求。如何降低單位壓鑄件燃耗，已成為企業(yè)和技術(shù)人員的重要課題。取消“人工時(shí)效”是壓鑄生產(chǎn)中“節(jié)能減排”的重要措施之一。本文選用對(duì)鋁基體有強(qiáng)化、晶粒細(xì)化、減少結(jié)晶應(yīng)力等功能的金屬元素，采用恰如其分的質(zhì)量百分?jǐn)?shù)與鋁組合，并經(jīng)多次試驗(yàn)調(diào)整，最后研制出了一種既能滿(mǎn)足閥類(lèi)產(chǎn)品要求，又不需要人工時(shí)效處理的新型鋁合金材料“AlSi9Cu3Zn3”。該材料具有材質(zhì)致密度高、綜合力學(xué)性能好、生產(chǎn)工藝性?xún)?yōu)、壓鑄件不需人工時(shí)效，鑄件放在空氣中36 h之內(nèi)就能達(dá)到金屬組織穩(wěn)定等特點(diǎn)。經(jīng)測(cè)試，每噸壓鑄件能節(jié)省550～600度電，對(duì)節(jié)能、降成本等都有著十分重要的社會(huì)意義和經(jīng)濟(jì)意義。

1新材料設(shè)計(jì)思想及合金元素在鋁基體中的作用

研制出的新型鋁合金歸納起來(lái)應(yīng)具有三大特性：一是自身力學(xué)性能和致密度好，能滿(mǎn)足產(chǎn)品要求；二是壓鑄性能和加工性能好，能滿(mǎn)足工藝要求；三是鑄件出模后放置較短時(shí)間能完全釋放結(jié)晶應(yīng)力，金屬組織穩(wěn)定。

根據(jù)以上三大特性，新型鋁合金必須是以鋁為基體的多種金屬元素參與作用的一種合金。也就是說(shuō)，不僅要有對(duì)鋁基體有強(qiáng)化作用的元素，還要有細(xì)化晶粒的元素、增加合金液流動(dòng)性的元素和改善加工切削性能的元素，而且必須要有一種重要金屬元素，能夠減少合金液相膨脹和體收縮，抑制其它物相生長(zhǎng)，消除或緩解凝固收縮應(yīng)力并穩(wěn)定金相組織。新型鋁合金正是根據(jù)這些思路而研制出來(lái)的。

1.1 硅（Si）

Si是該合金的主要成分，其作用是改善壓鑄鋁合金的流動(dòng)性，在AlSi合金共晶點(diǎn)時(shí)，鋁合金流動(dòng)性最好，同時(shí)硅的凝固潛熱更高，也提高了鋁合金的流動(dòng)性。在亞共晶和共晶鋁硅合金中，細(xì)小的共晶硅相對(duì)鋁合金基體有顯著的強(qiáng)化作用。Si的線(xiàn)膨脹系數(shù)比Al小得多（約1/3～1/4），所以，鋁硅合金體收縮率更小，具有極好的抗熱裂性能[5]。擬取Si含量為8.0%～11.0%。

1.2 銅（Cu）

Cu也是該合金的主要成分，它對(duì)Al基體有顯著的強(qiáng)化作用，能提高合金抗拉強(qiáng)度、硬度和高溫蠕變性能，也能很好地提高合金流動(dòng)性（壓鑄性能好）、加工切削性能（很好的表面粗糙度）和組織致密度（防滲漏好）。

但Cu在鋁α-固溶體的固溶度較小，未固溶部分以顆粒狀化合物存在，產(chǎn)生凝固應(yīng)力。同時(shí)，Cu的化學(xué)電位高于Al，易產(chǎn)生晶間腐蝕和腐蝕應(yīng)力[6]，因此，Cu元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)必須控制在較合適的范圍，擬取Cu質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2.5%～3.5%。

1.3 鎂（Mg）

Mg有良好的細(xì)化晶粒作用，可以有效提高合金致密度、硬度和切削性能，不僅能獲得較好的氣密性，還可以減少刀具磨損，提高加工表面粗糙度[5，7]。

在500～530℃溫度區(qū)間內(nèi)，Mg在鋁α-固溶體的溶解度一般為0.3%～0.4%。為了避免Mg的析出，擬取Mg質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.25%～0.35%。

1.4 錳（Mn）

Mn的作用主要是消除爐料中鐵元素對(duì)合金的危害。錳在鋁-硅合金中形成Al10Mn2、Al8Mn相，AlSi合金中形成的Al9Fe2Si2相中的Fe將會(huì)分離出來(lái)，溶解于Al10Mn2、Al8Mn相，從而消除鐵的有害作用。

Mn的加入量是根據(jù)爐料、爐襯的含F(xiàn)e量來(lái)決定的。當(dāng)Fe的含量超過(guò)0.4%時(shí)，Mn的加入量為Fe含量的50%。文中試驗(yàn)采用中頻無(wú)芯感應(yīng)電爐，其爐襯為耐火材料，保溫采用電阻坩堝爐，因此Fe元素主要來(lái)自爐料。經(jīng)檢測(cè)，各種爐料Fe質(zhì)量總分?jǐn)?shù)在0.6%左右[5]，因此，擬取Mn質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.2%～0.4%。

1.5 鋅（Zn）

Zn是本研制合金擬加入的一種特殊成分。它的加入主要使合金減少體膨脹和體收縮，抑制各種化合物相的生長(zhǎng)，穩(wěn)定金相組織，同時(shí)使凝固后的合金在常溫下較短時(shí)間內(nèi)能釋放出凝固收縮應(yīng)力。Zn與前面擬加的Cu、Mg一同加入，對(duì)熱處理和自然時(shí)效有良好的效果[5]。擬取Zn質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2.0%～4.0%。

1.6 雜質(zhì)對(duì)合金性能的影響

Fe在任何一種鋁合金中都是有害元素。它使合金降低力學(xué)性能，特別是延伸率，同時(shí)使合金產(chǎn)生組織疏松和熱裂傾向，因此必須穩(wěn)定爐料來(lái)源。隨著爐料中含鐵量的變化，應(yīng)適當(dāng)調(diào)整Mn的加入量，消除Fe的有害作用。Fe的含量應(yīng)控制在1.0%以下。Sn降低合金抗拉強(qiáng)度、硬度和耐蝕性，必須嚴(yán)格控制。Sn 的含量應(yīng)控制在0.05%以下。

2 試驗(yàn)方法

2.1 合金熔煉試驗(yàn)

按《壓鑄鋁合金AlSi9Cu3Zn3熔化工藝》要求，對(duì)回爐料、各種原材料分別過(guò)稱(chēng)配料。將回爐料、Al、Si、Cu、Zn、Mn單金屬元素依次加入IGBT無(wú)芯中頻感應(yīng)電爐（800 kg）中直接熔化，然后合金熔體在710～750℃下靜置15 min，再加入爐料Mg并進(jìn)行充分?jǐn)嚢?，最后加入精煉劑用氮?dú)鈹嚢璩龤獯蛟?。?shí)際生產(chǎn)中作了兩項(xiàng)調(diào)整：一是由于金屬硅塊加入量太多，大大加長(zhǎng)了熔化時(shí)間，Si的質(zhì)量分?jǐn)?shù)由8.0%～11.0%修改為8.0～10.0%；二是由于回爐料Mg的成分有波動(dòng)，為了避免Mg超出0.4%而析出，Mg質(zhì)量分?jǐn)?shù)由0.25～0.35%修改為0.15%～0.3%。其它擬加元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)不變，產(chǎn)品最終成分見(jiàn)表1。

表1 AlSi9Cu3Zn3新型鋁合金化學(xué)成分

2.2 壓鑄生產(chǎn)試驗(yàn)

將制備好的鋁合金熔體轉(zhuǎn)入電阻坩堝保溫爐中，用低溫打渣劑進(jìn)行再次除氣打渣處理，然后壓鑄（生產(chǎn)）產(chǎn)品。壓鑄產(chǎn)品為空干器殼體：鑄件重 1.15 kg，帶澆注溢流系統(tǒng)總重2.06 kg，鑄件一般壁厚6 mm，局部最小壁厚4 mm，最大壁厚12.5 mm。技術(shù)要求：加工面不能有氣孔、縮孔等鑄造缺陷，在1.2 MPa氣壓下，不能有滲漏。采用DCC500壓鑄機(jī)進(jìn)行壓鑄生產(chǎn)試驗(yàn)，合金澆注溫度為660～680℃，一快壓射速度為0～10 m/s，二快壓射速度為35 m/s，二快壓射行程60 mm。每批次生產(chǎn)空氣干燥器約250件（模）。

2.3 自然時(shí)效試驗(yàn)

（1）試棒的自然時(shí)效試驗(yàn)：分成出模后4 h、12 h、20 h、28 h、36 h、48 h，6個(gè)時(shí)段分別進(jìn)行力學(xué)性能試驗(yàn)和金相試驗(yàn)。

（2）產(chǎn)品的自然時(shí)效試驗(yàn)：出模后分成24 h、36 h、48 h三個(gè)時(shí)段進(jìn)行切削性能試驗(yàn)。

（3）加工后產(chǎn)品圓柱度試驗(yàn)：對(duì)上述切削性能試驗(yàn)產(chǎn)品進(jìn)行圓柱度檢測(cè)。

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

通過(guò)試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)的觀察發(fā)現(xiàn)，新型鋁合金壓鑄成型性能更好，鑄件和澆口斷面金屬晶粒更為均勻和細(xì)小，優(yōu)于YL112鋁合金。重復(fù)試驗(yàn)6次，結(jié)果趨于一致。

圖1為不同自然時(shí)效時(shí)間的鋁合金金相照片，由圖可知，共晶硅在自然時(shí)效為4 h的時(shí)候，其尺寸粗大且分布不均，破壞了基體組織的連續(xù)性，從而對(duì)材料力學(xué)性能產(chǎn)生不良影響。隨著時(shí)效時(shí)間的增加，共晶硅明顯向粒狀轉(zhuǎn)變，尺寸明顯減小，且呈均勻分布，當(dāng)自然時(shí)效為36 h時(shí)，共晶硅相尺寸在50 μm以下。

圖1 不同自然失效后材料的金相照片

表2為試樣在不同自然時(shí)效時(shí)間的力學(xué)性能。在自然時(shí)效36 h內(nèi)，抗拉強(qiáng)度增幅較大，由245 MPa增加至325 MPa。由36 h提高到48 h，力學(xué)性能變化不明顯，因此自然時(shí)效的最佳時(shí)間為36 h。延伸率和布氏硬度均隨著自然時(shí)效的增加，分別呈降低和增加的趨勢(shì)。

表2 試樣自然時(shí)效各時(shí)段測(cè)得的力學(xué)性能 （均值）

表3為產(chǎn)品的自然切削性能試驗(yàn)結(jié)果，自然時(shí)效36 h后，產(chǎn)品的切削性能很好，其表面粗糙度為0.4 μm，性能均優(yōu)于YL112鋁合金。

表3 產(chǎn)品自然時(shí)效切削性能試驗(yàn)

表4為產(chǎn)品圓柱度檢測(cè)結(jié)果，對(duì)3件自然時(shí)效36 h及以上的產(chǎn)品進(jìn)行圓柱度檢測(cè)，其結(jié)果分別為φ0.020～φ0.025，均符合產(chǎn)品φ0.02～φ0.05的要求。

表4 加工后產(chǎn)品圓柱度檢測(cè)

4 結(jié)論

本文研制了一種新型自然快速去應(yīng)力壓鑄鋁合金材料——AlSi9Cu3Zn3，省去了人工時(shí)效處理工藝環(huán)節(jié)，在滿(mǎn)足閥類(lèi)產(chǎn)品要求的同時(shí)，新型材料具有組織致密、綜合力學(xué)性能好、生產(chǎn)工藝性好、產(chǎn)品性能穩(wěn)定等特點(diǎn)。壓鑄后自然時(shí)效36 h，其抗拉強(qiáng)度為325 MPa，延伸率為3.5%，HBS硬度為96.3，表面粗糙度為0.4 μm，其圓柱度檢測(cè)結(jié)果為φ0.020～φ0.025，滿(mǎn)足產(chǎn)品精度要求，部分性能優(yōu)于YL112鋁合金。