Al-11.7Si-3.8Cu-2.35Ni-1.15Mg合金棒材的制備與組織性能研究

李其榮，浦儉英，儲劍月，李德松，陳仁春，曹 輝，吳桂蘭

(亞太輕合金南通科技有限公司，江蘇 海安 226600)

鋁硅系合金隨著硅含量的增加一般都具有良好的耐磨性，廣泛應(yīng)用于航空、汽車、電子等工業(yè)中。4×××系鋁合金由于含硅量高，內(nèi)部組織易出現(xiàn)粗大的初晶硅，如圖1所示。初晶硅較脆，會割裂基體，降低合金的強(qiáng)度和塑性，對其進(jìn)行變質(zhì)處理是一項(xiàng)非常關(guān)鍵的技術(shù)[1-3]。有些高硅含量鋁合金采用傳統(tǒng)的一次變質(zhì)處理難以達(dá)到最佳的變質(zhì)效果。

圖1 高硅含量鋁合金中的初晶硅形貌

本課題采用永磁攪拌鋁合金熔體，同時(shí)通過雙級變質(zhì)處理，熔鑄了Al-11.7Si-3.8Cu-2.35Ni-1.15Mg合金鑄錠，將其均勻化處理后擠壓成棒材，進(jìn)行熱處理，研究其組織及性能。

1 試驗(yàn)材料及方法

1.1 試驗(yàn)材料的制備

本試驗(yàn)選用鋁合金的化學(xué)成分如表1所示。

表1 試驗(yàn)鋁合金的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%)

熔煉該鋁合金的原料為工業(yè)純鋁錠、紫銅塊、鎳塊、鎂錠、Al-20Si中間合金和Al-Mn中間合金，按照表1化學(xué)成分配料。熔煉溫度為780 ℃～870 ℃。熔體溫度達(dá)到840 ℃～860 ℃時(shí)，加入Al-RE稀土中間合金進(jìn)行第一次變質(zhì)處理，其添加量為每噸鋁合金熔體加入3 kg Al-RE中間合金。采用永磁攪拌系統(tǒng)，利用鋁的弱磁性原理，在鋁合金熔體下面施加旋轉(zhuǎn)磁場，使熔體產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)，使成分均勻。攪拌后保溫10 min～15 min取樣分析，熔體化學(xué)成分合格后進(jìn)行精煉，然后在溫度780 ℃左右添加Al-Sr中間合金進(jìn)行第二次變質(zhì)處理，加入量按照鋁合金中鍶元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.025%計(jì)算。對熔體進(jìn)行永磁系統(tǒng)攪拌后靜置20 min后取樣分析，確認(rèn)鍶元素含量合格后開始鑄造。鑄造前對流槽、除氣箱、過濾箱、模盤等進(jìn)行烘烤預(yù)熱。將靜置后的鋁合金熔體經(jīng)在線除氣和雙級過濾后進(jìn)行半連續(xù)鑄造，鑄造速度為65 mm/min～75 mm/min，冷卻水流量為2 800 L/min～3 800 L/min。鑄造結(jié)束時(shí)待鑄錠脫離結(jié)晶器時(shí)再關(guān)閉冷卻水，鑄錠充分冷卻后將模盤抬起取出鑄錠。

鑄錠加熱至470 ℃～490 ℃進(jìn)行均勻化處理，保溫5 h后自然冷卻。

將鑄錠加熱后，采用反擠壓機(jī)擠壓成直徑為100 mm的棒材。擠壓工藝參數(shù)如表2所示。

表2 擠壓工藝參數(shù)

對擠壓棒材進(jìn)行固溶淬火、人工時(shí)效處理。

2 試驗(yàn)結(jié)果

2.1 熔鑄鑄錠質(zhì)量

圖2是經(jīng)過半連續(xù)鑄造得到的鋁合金鑄錠。鑄錠表面光滑，無凹坑、拉絲等缺陷，采用EDDYCHEK5自動探傷儀探傷后未發(fā)現(xiàn)裂紋等內(nèi)部缺陷。

圖2 半連續(xù)鑄造的鑄錠

2.2 鑄錠組織檢查

對均勻化處理后的鋁合金圓鑄錠的頭端、尾端各取一個(gè)圓切片，在切片的邊緣、1/2半徑處、中心處取試樣做高倍組織分析，取樣位置如圖3所示。

圖3 金相試樣取樣位置圖

鑄錠金相組織如圖4和圖5所示?？梢钥闯觯T錠組織由鋁基體、 Al-Si共晶相組成。邊緣試樣枝晶網(wǎng)細(xì)小且分布均勻，共晶組織細(xì)小，未發(fā)現(xiàn)粗大的板條狀初晶硅，說明變質(zhì)處理效果比較明顯。

圖4 鑄錠頭端組織

圖5 鑄錠尾端組織

為保證Al-Si系鋁合金材料具有好的綜合性能，要求鑄錠組織細(xì)小且致密均勻，若有大量的初晶硅，則會明顯降低合金材料的力學(xué)性能。

2.3 擠壓棒材熱處理后的組織

將擠壓棒材進(jìn)行固溶、時(shí)效熱處理，固溶溫度為(485±5)℃、保溫1 h，淬火后人工時(shí)效工藝為(175±5)℃ 8 h 。圖6是熱處理后的組織，沿?cái)D壓方向是大量的纖維狀組織，未觀察到粗大的初晶硅。

圖6 擠壓棒材熱處理后組織

2.4 棒材的力學(xué)性能

對固溶、人工時(shí)效熱處理后的棒材在兩處取試樣測定力學(xué)性能，其抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度和斷后伸長率如表2所示，其實(shí)測值遠(yuǎn)大于用戶所要求的值。

表2 棒材的力學(xué)性能

3 分析與討論

高硅鋁合金易出現(xiàn)粗大的初晶硅，它降低合金材料的強(qiáng)度和塑性。為了改善合金的組織及性能，必須對合金熔體進(jìn)行變質(zhì)處理。本課題采用雙級變質(zhì)處理，第一次變質(zhì)采用稀土，主要成分是Al-RE中間合金，稀土比較活潑會降低相界面上的表面張力，促進(jìn)晶核生成，能夠使初晶硅以非均質(zhì)晶核為襯底大量生核從而得到細(xì)化[4]；第二次變質(zhì)處理采用Al-Sr中間合金，Sr通過吸附于Si的晶核表面，阻礙了硅晶體的長大，增大成分過冷，形核率也提高，從而使組織細(xì)化[5-7]。盡管稀土、Sr都具有良好的變質(zhì)作用，但是單種元素的變質(zhì)作用難以達(dá)到最佳效果，而采用雙級變質(zhì)處理達(dá)到了最佳的效果。

4 結(jié) 論

1)本試驗(yàn)中采用永磁攪拌及雙級變質(zhì)處理制備了Al-11.7Si-3.8Cu-2.35Ni-1.15Mg合金鑄錠，在鑄錠、擠壓材及其熱處理狀態(tài)均未發(fā)現(xiàn)粗大的初晶硅。

2)熱處理狀態(tài)棒材的力學(xué)性能遠(yuǎn)大于用戶的要求值，抗拉強(qiáng)度達(dá)到418.2 MPa，屈服強(qiáng)度達(dá)到387 MPa，斷后伸長率達(dá)到6.7%。