ADC12壓鑄鋁合金成分優(yōu)化的研究

朱銳祥，秦新宇,胡 南，陸良宇

合肥工業(yè)大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，安徽 合肥230009

ADC12鋁合金壓鑄件因其成品率高、表面質(zhì)量好、尺寸精度高、后續(xù)加工量少，十分適合大批量的生產(chǎn).因此，普遍應(yīng)用于汽車零部件的生產(chǎn)，如：活塞、缸體、缸蓋、車輪及制動盤等零件，但由于鑄造鋁硅合金的強度韌性不高，致使其應(yīng)用范圍受到較大的限制[1-2].目前，在工業(yè)生產(chǎn)過程中，就發(fā)動機缸蓋材料來看鋁合金正在逐步替代灰鑄鐵或合金鑄鐵.由于發(fā)動機缸蓋形狀較為復(fù)雜，致使所使用的鋁合金材料必須要有良好的機械性能和鑄造性能[3].為了滿足發(fā)動機缸蓋對材料鑄造性、強度、穩(wěn)定性等方面的要求，本文在ADC12鋁合金成分范圍的基礎(chǔ)上，通過對合金成分的優(yōu)化設(shè)計來達到改善壓鑄鋁合金綜合力學(xué)性能的目的，為實際生產(chǎn)提供參考.

1 試驗流程

1.1 試 樣

試驗材料為ADC12鋁錠(成分列于表1)、Al-Cu中間合金、Al-Mn中間合金、Al-Mg中間合金和單晶硅，采用壓鑄工藝制備試棒.

表1 ADC12鋁錠的化學(xué)成分

1.2 試驗方案

試驗主要分為三個部分：(1)根據(jù)表2列出的ADC12 鋁合金成分的范圍分別設(shè)計合金中Si，Cu，Mg，Mn 四種元素的含量，通過單因素試驗得到合金中元素的最優(yōu)含量.(2)在單因素試驗的基礎(chǔ)上，通過正交試驗確定4種元素的最佳含量.(3)通過金相顯微鏡觀察合金元素的加入對壓鑄鋁合金組織影響的規(guī)律.試驗流程如下圖1所示.

表2 ADC12鋁合金成分范圍

圖1 試驗工藝流程圖Fig.1 The experimental process flow chart

2 試驗結(jié)果及討論

2.1 單因素試驗

進行單因素試驗時，一種元素含量作為變量，其余三種元素含量保持不變.試驗中各元素質(zhì)量分數(shù)范圍分別為10%～12%Si，1.5%～3.5%Cu，0.1%～0.3%Mg，0.1%～0.5%Mn.在ADC12鋁合金成分范圍內(nèi)，采用單因素條件試驗分別向合金中添加不同量的Si，Cu，Mg，Mn元素時，考查合金力學(xué)性能的變化情況.在4種元素質(zhì)量分數(shù)為10%Si，1.5%Cu，0.1%Mg，0.1%Mn的條件下，分別進行Si，Cu，Mg，Mn添加量對鑄態(tài)合金抗拉強度與延伸率影響的單因素試驗，試驗結(jié)果如圖2～5所示.

圖2 鑄態(tài)下Si含量對合金力學(xué)性能的影響Fig.2 Effect of Si content on mechanical properties of alloy in cast state

由圖2～5可知，隨著Si和Cu質(zhì)量分數(shù)的增加，合金的抗拉強度先增大后降低.當Si質(zhì)量分數(shù)為11%時合金的力學(xué)性能最好，此時合金的抗拉強度達到248.6 MPa，延伸率為1.15%；當Cu質(zhì)量分數(shù)為3%時，合金的抗拉強度與延伸率均達到最大，分別為276.7 MPa，2.36%.隨著Mg和Mn質(zhì)量分數(shù)的增加，合金的抗拉強度與延伸率增大.在Mg質(zhì)量分數(shù)為0.3%時，合金的力學(xué)性能最優(yōu)，合金的抗拉強度與延伸率分別為264.38 MPa，2.21%；當Mn質(zhì)量分數(shù)為0.5%時，合金的抗拉強度與延伸率均達到最大，分別為259.92 MPa，1.93%.單因素試驗時表明，Si，Cu，Mg，Mn四種元素的質(zhì)量分數(shù)分別為11%，3%，0.3%，0.5%時，合金的綜合力學(xué)性能最好.

2.2 正交試驗

在單因素試驗的基礎(chǔ)上，選擇四因素三水平，即L9(34)正交表，進行正交試驗，主要元素的正交因素水平表列于表3，正交試驗結(jié)果列于表4.

圖3 鑄態(tài)下Cu含量對合金力學(xué)性能的影響Fig.3 Effect of Cu content on mechanical properties of alloy in cast state

圖4 鑄態(tài)下Mg含量對合金力學(xué)性能的影響Fig.4 Effect of Mg content on mechanical properties of alloy in cast state

圖5 鑄態(tài)下Mn含量對合金力學(xué)性能的影響Fig.5 Effect of Mn content on mechanical properties of alloy in cast state

水平因 素w(Si)/%w(Cu)/%w(Mg)/%w(Mn)/%ABCD12310.511.011.52.53.03.50.20.30.40.40.50.6

表4 正交試驗結(jié)果

續(xù)表4

合金主要元素含量對合金抗拉強度與延伸率的影響程度與極差的大小成正比.由表4可知，四種元素含量對合金抗拉強度及延伸率的影響順序皆為：Mg>Mn>Cu>Si.(1)當合金中四種元素含量組合為A2B3C1D3，即Si，Cu，Mg，Mn四種元素的質(zhì)量分數(shù)分別為11%，3.5%，0.2%，0.6%時，合金的抗拉強度達到最佳.考慮到ADC12鋁合金成分范圍要求w(Mn)≤0.5%，確定組合為A2B3C1D2，即合金中Si，Cu，Mg，Mn元素質(zhì)量分數(shù)分別為11%，3.5%，0.2%，0.5%，此時合金的抗拉強度為289 MPa，延伸率為2.05%.(2)當四種元素含量組合為A2B2C3D3，即Si，Cu，Mg，Mn四種元素質(zhì)量分數(shù)分別為11%，3.0%，0.4%，0.6%時，合金的延伸率達到最佳.考慮到Mn含量超出ADC12鋁合金成分范圍，確定合金延伸率最佳的成分含量為A2B2C3D2，此時合金的抗拉強度為267 MPa，延伸率為2.52%.經(jīng)綜合考慮，確定合金四種元素含量的最佳組合為A2B2C1D2，即w(Si)=11%，w(Cu)=3.0%，w(Mg)=0.2%，w(Mn)=0.5%，此時合金的抗拉強度為285 MPa，延伸率為2.23%.

3 金相組織觀察及分析

3.1 Si含量對合金組織的影響

在Cu，Mg，Mn三種元素的質(zhì)量分數(shù)分別為1.5%，0.1%，0.1%的條件下，鑄態(tài)下不同Si含量的合金顯微組織如圖6所示.圖6中灰色區(qū)域為富Fe 相，主要呈塊狀和條狀，尺寸相對較大.黑色區(qū)域為共晶Si相，呈長針狀和板條狀，并都具有鋒利的棱角.從圖6(a)可看出，組織中白色的α-Al相枝晶較粗大、分布不均勻、排列交叉錯亂、呈樹枝狀，在一定程度上還有偏析現(xiàn)象，這些現(xiàn)象都阻礙著合金綜合力學(xué)性能的提高.隨著硅含量的增加，晶粒逐漸細化，初晶硅的尺寸減小，并呈現(xiàn)細條狀，樹枝晶破碎呈短棒狀，共晶Si相也得到較大程度的細化，金屬流動性增大，鑄造性能變好，有利于合金力學(xué)性能的提高[4-5]，如圖6(b)所示.但從另一方面來說，Si元素的增加會降低Mn在Al中的溶解度，促進α相的生成，增大第二相金屬化合物的尺寸，并使析出相粗化，不利于合金力學(xué)性能的提高.

圖6 鑄態(tài)下不同Si含量的合金顯微組織(a)w(Si)=10%；(b)w(Si)=11%Fig.6 Optical microstructure of alloys with different Si content in cast state

3.2 Cu含量對合金組織的影響

合金中加入Cu元素后，Cu會以顆粒狀化合物形式存在于鋁基體之中或者固溶于鋁基體，顯著提高鋁合金的強度和硬度，但會使鋁合金的伸長率有所降低；Cu在Al-Si合金中會形成強化相 Al2Cu 及 Al4Mg6Cu4Si4，這兩種強化相有助于提高合金的強度[6].在Si，Mg，Mn三種元素的質(zhì)量分數(shù)分別為10%，0.1%，0.1%的條件下，鑄態(tài)下不同Cu含量的合金顯微組織如圖7所示.由圖7可知，隨著Cu含量的增加，條片狀Si相減少，細化程度得到明顯改善，分布逐漸變得不均勻，大部分Si相呈現(xiàn)聚集傾向.

圖7 鑄態(tài)下不同Cu含量的合金顯微組織(a)w(Cu)=1.5% ；(b)w(Cu)=3%Fig. 7 Optical microstructure of alloys with different Cu content in cast state

3.3 Mg含量對合金組織的影響

在Si，Cu，Mn三種元素的質(zhì)量分數(shù)分別為10%，1.5%，0.1%的條件下，鑄態(tài)下不同Mg含量的合金顯微組織如圖8所示.圖8顯示，當Mg含量增大時，Mg與Si在合金中會形成Mg2Si相，而Mg2Si的硬度與彈性模量比鋁高，從而使合金的抗拉強度提高.然而當Mg含量過高時，由于形成的Mg2Si較多且與共晶Si相、Al2Cu相及 Al9Fe2Si2等相聚集在一起，形成較大的不規(guī)則塊狀物分布于α(Al)晶界，致使合金的抗拉強度降低[7].隨著Mg含量的增加，白色塊狀物增加，樹枝狀共晶Si的面積逐漸縮小.圖8(b)顯示，當Mg質(zhì)量分數(shù)達到0.3%時，基體Al與共晶Si的分布趨于有序，有助于細化共晶Si相，并克服共晶Si相的偏聚，形成的Mg2Si相多分布于共晶Si相與α(Al)的交界處.

圖8 鑄態(tài)下不同Mg含量的合金顯微組織(a)w(Mg)=0.1%；(b)w(Mg)=0.3% Fig.8 Optical microstructure of alloys with different Mg content in cast state

3.4 Mn含量對合金組織的影響

研究表明[8]，Mn元素的增加可以改變鑄態(tài)合金中Fe相的分布與形態(tài)，減小Fe元素對合金塑性的不利影響，同時能夠細化晶粒、阻止晶粒長大和再結(jié)晶.在固溶過程中Mn會與基體形成Al6Mn相，這種相在合金中彌散分布，在合金發(fā)生塑性變形時，Al6Mn相會阻礙晶界的滑移，有助于提高合金的抗拉強度.

在Si，Cu，Mg三種元素的質(zhì)量分數(shù)分別為10%，1.5%，0.1%的條件下，鑄態(tài)下不同Mn含量的合金顯微組織如圖9所示.由圖9可知，隨著Mn含量的增加，合金組織中的枝晶變得粗大密集，形貌多為長片狀和多角形塊狀，可以成為初生硅與共晶硅的形核核心，使硅相依附在復(fù)合相上生長.同時，共晶組織得到明顯細化，由長針狀變?yōu)榧毿〉亩贪魻?，減少了裂紋擴展的路徑.

圖9 鑄態(tài)下不同Mn含量的合金顯微組織(a)w(Mn)=0.1% ；(b)w(Mn)=0.5% Fig.9 Optical microstructure of alloys with different Mn content in cast state

4 結(jié) 論

在ADC12鋁合金元素含量要求的范圍內(nèi)，隨Si和Cu含量增加，合金的抗拉強度先增大后降低；隨Mg和Mn含量增加，合金的抗拉強度與延伸率皆增大.四種元素含量對合金抗拉強度及延伸率的影響順序皆為：Mg>Mn>Cu>Si.合金中4種元素的最優(yōu)化含量為w(Si)=11%，w(Cu)=3.0%，w(Mg)=0.2%，w(Mn)=0.5%時，合金的力學(xué)性能最好，其抗拉強度為285 MPa，延伸率為2.23%.