Sr含量對(duì)免熱處理壓鑄鋁合金組織與性能的影響

中圖分類號(hào)：TG146.2 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B DOI：10.19710/J.cnki.1003-8817.20240316

Effect of Sr Content on Microstructure and Properties of Heat-Free Treatment Die-Casting Aluminum Alloys

Wang Dengfeng'，Li Qinpeng'，Liang Jianzhong2，Liu Bing2，Chen Xuewen3 （1.GuangdongXiongjinPrecisionCastingTechnologyCo.Ltd.，F(xiàn)oshan;2.GuangdongYizhongPrecisionTechnologyCo， Ltd.，Zhaoqing ; 3.Guangdong Engineering Polytechnic，Guangzhou 510660）

Abstract：Theefectsof Srcontenton the microstructure，fluidityandmechanical propertiesof heat-free treatment die-casting aluminumallyarestudied by scanning electron microscopyand electronic tensile testing machine.The results show that with the increase of Sr content，the morphology of eutectic Si phase in die-casting aluminum alloyis refinedandmodified into fine particlesandshortbars，the length of theflowing samples of diecastingaluminumaloyliquidincreasesgraduallyandthe tensilemechanical propertiesareimprovedgradually.The optimum Srcontent is O.08% forrefiningand modification of die-casting aluminum aloy，the lengthofflowing sample is 879 mm，the tensile strength is 286.2MPa ，and the elongation is 7.9% ，the length of flowing sample，tensile strength and elongation of die-casting aluminum alloy are increased by 10.4% ， 7.8% and 16.2% ，respectively.

Keywords：Die-casting aluminumalloy，Heat-free treatment，Refiningand modification，Srcontent

1前言

壓鑄鋁合金零部件的尺寸精度高、生產(chǎn)效率高，可成形各種形狀復(fù)雜的零部件，因而廣泛應(yīng)用于汽車、家電、電子通信、機(jī)械設(shè)備等行業(yè)。汽車是鋁合金壓鑄的最大應(yīng)用市場(chǎng)，汽車發(fā)動(dòng)機(jī)、變速器、傳動(dòng)系統(tǒng)、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、電子控制系統(tǒng)等都采用大量壓鑄鋁合金零部件[2-3]。近年來(lái)，汽車整車及零部件制造企業(yè)都在積極發(fā)展一體化壓鑄技術(shù)[4]一體化壓鑄是將需要組裝的多個(gè)獨(dú)立的零件重新設(shè)計(jì)，并采用超大型壓鑄機(jī)一次壓鑄成形的工藝[5]。一體化壓鑄技術(shù)使汽車零部件的數(shù)量大幅減少，并減少了沖壓、焊接、涂膠等工序，可大幅提高汽車的生產(chǎn)效率，降低制造成本并實(shí)現(xiàn)輕量化。

一體化壓鑄車身零部件通常具有尺寸大和結(jié)構(gòu)復(fù)雜的特征，因而對(duì)壓鑄鋁合金材料的要求較高，既要求其具有良好的流動(dòng)性，以確保一體化壓鑄大型零部件能夠充型完整，避免產(chǎn)生縮孔、疏松等缺陷，還要求其在非熱處理狀態(tài)下具有優(yōu)異的力學(xué)性能，以避免熱處理引起大型零部件變形，滿足車身不同部位對(duì)零部件受力與強(qiáng)度的要求[-9]。免熱處理壓鑄鋁合金的流動(dòng)性和力學(xué)性能與共晶Si相的形態(tài)密切相關(guān)，對(duì)共晶Si進(jìn)行細(xì)化變質(zhì)處理是提高免熱處理壓鑄鋁合金流動(dòng)性和力學(xué)性能的重要途徑，因此，針對(duì)Sr含量對(duì)免熱處理壓鑄鋁合金顯微組織、流動(dòng)性與力學(xué)性能的影響進(jìn)行研究。

2 試驗(yàn)材料與方法

試驗(yàn)材料為免熱處理壓鑄鋁合金，經(jīng)InnovateT5直讀光譜儀測(cè)定，壓鑄鋁合金各成分的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為：Si 10.14% 、Cu 0.62% 、 Mg 0.39% ！Mn 0.31% Fe 0.17% ，余量為AI和其他雜質(zhì)元素。將壓鑄鋁合金放入箱式電阻坩蝸爐內(nèi)，在 720°C 加熱熔化成鋁合金液，用純度 99.99% 的氬氣和占鋁合金液質(zhì)量 0.3% 的精煉劑對(duì)鋁合金液噴吹精煉 10min ，噴吹精煉完成后進(jìn)行扒渣，然后在鋁合金液中分別加人質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為 0.1%.0.2% 、0.3%.0.4% 和 0.5% 的AISr20合金進(jìn)行細(xì)化變質(zhì)處理，對(duì)應(yīng)壓鑄鋁合金中 Sr 元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為0.02%?0.04%?0.06%?0.08%?0.10% ，攪拌后保溫10min ，然后取鋁合金液分別澆注到 250°C 的螺旋形流動(dòng)性金屬模具內(nèi)和圓柱形試樣金屬模具內(nèi)，冷卻凝固后測(cè)量流動(dòng)性試樣的長(zhǎng)度來(lái)表征壓鑄鋁合金液的流動(dòng)性。在流動(dòng)性試樣上取樣，經(jīng)磨制、拋光和腐蝕后，在 SEM5000Pro 場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡上觀察共晶Si相的形態(tài)。將圓柱形試樣加工成如圖1所示的拉伸試樣，在WSM-20型電子萬(wàn)能拉伸試驗(yàn)機(jī)上以 2mm/min 的速率進(jìn)行室溫拉伸，檢測(cè)壓鑄鋁合金試樣的抗拉強(qiáng)度和斷后伸長(zhǎng)率。

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 對(duì)顯微組織的影響

如圖2所示為添加不同含量Sr后壓鑄鋁合金中共晶Si相的掃描電鏡圖。未添加Sr元素時(shí)，壓鑄鋁合金中共晶Si相呈粗大的條狀和塊狀。在壓鑄鋁合金液冷卻凝固過(guò)程中，粗大的塊狀和條狀共晶Si相會(huì)阻礙共晶液相的流動(dòng)補(bǔ)縮，容易造成大型復(fù)雜壓鑄件充型不完整，產(chǎn)生縮孔、疏松等缺陷，同時(shí)，會(huì)割裂鋁基體，造成壓鑄鋁合金內(nèi)部產(chǎn)生局部應(yīng)力集中，成為壓鑄鋁合金斷裂的裂紋源和裂紋擴(kuò)展方向，從而降低壓鑄鋁合金的強(qiáng)度和塑性[]。添加Sr元素后，在壓鑄鋁合金液冷卻凝固過(guò)程中，Sr原子會(huì)優(yōu)先在共晶Si相的生長(zhǎng)前沿沉積，阻礙共晶Si相的生長(zhǎng)，從而起到細(xì)化變質(zhì)共晶Si相的作用[]。添加質(zhì)量分?jǐn)?shù) 0.04% 的Sr元素時(shí)，壓鑄鋁合金中共晶Si相的形態(tài)已從粗大的條狀和塊狀轉(zhuǎn)變成顆粒狀。添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.08% 的Sr元素時(shí)，共晶Si相的形態(tài)已完全轉(zhuǎn)變成細(xì)小的顆粒狀和短棒狀。繼續(xù)增加Sr元素的添加量到質(zhì)量分?jǐn)?shù) 0.10% 時(shí)，共晶Si相的形態(tài)仍然保持細(xì)小的顆粒狀和短棒狀，說(shuō)明繼續(xù)增加Sr元素的添加量，對(duì)細(xì)化變質(zhì)共晶Si相沒(méi)有益處，壓鑄鋁合金細(xì)化變質(zhì)共晶Si相的最佳 Sr 含量為質(zhì)量分?jǐn)?shù) 0.08%_o 時(shí)，共晶Si相呈粗大的條狀和塊狀，會(huì)阻礙共晶液相的流動(dòng)，降低壓鑄鋁合金液的流動(dòng)性，此時(shí)壓鑄鋁合金流動(dòng)性試樣較短，試樣長(zhǎng)度為 796mm 。添加Sr元素后，共晶Si相得到細(xì)化變質(zhì)，有利于增加壓鑄鋁合金液的流動(dòng)性。從圖3和圖4可看到，隨著Sr的質(zhì)量分?jǐn)?shù)從 0.02% 逐漸增加到 0.08% ，壓鑄鋁合金流動(dòng)性試樣的長(zhǎng)度逐漸增大。當(dāng)添加0.08% 的 Sr 元素時(shí)，共晶Si相被細(xì)化成細(xì)小顆粒狀和短棒狀，壓鑄鋁合金液的流動(dòng)性得到明顯改善，流動(dòng)性試樣長(zhǎng)度為 879mm ，與未添加Sr元素的壓鑄鋁合金相比，試樣的長(zhǎng)度增加 10.4% 。繼續(xù)增加Sr 質(zhì)量分?jǐn)?shù)到 0.10% ，壓鑄鋁合金流動(dòng)性試樣的長(zhǎng)度未見明顯變化。

3.2 對(duì)流動(dòng)性的影響

如圖3所示為壓鑄鋁合金流動(dòng)性試樣的形貌圖，流動(dòng)性試樣的長(zhǎng)度隨Sr含量的變化曲線如圖4所示。隨著壓鑄鋁合金液的冷卻，首先凝固析出 ∝ -Al晶粒，最后是共晶液相凝固。未添加Sr元素長(zhǎng)率隨Sr質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加的變化曲線。未添加 Sr 元素時(shí)，由于壓鑄鋁合金中共晶Si相呈粗大的條狀和塊狀，會(huì)割裂鋁基體，造成壓鑄鋁合金內(nèi)部產(chǎn)生局部應(yīng)力集中，成為壓鑄鋁合金斷裂的裂紋源和裂紋擴(kuò)展方向，導(dǎo)致壓鑄鋁合金的強(qiáng)度較低、塑性較差，此時(shí)壓鑄鋁合金的抗拉強(qiáng)度為 265.4MPa 斷后伸長(zhǎng)率 6.8% 。添加Sr元素對(duì)共晶Si相進(jìn)行細(xì)化變質(zhì)處理，使共晶Si相的形態(tài)從粗大的條狀和塊狀轉(zhuǎn)變?yōu)榧?xì)小的顆粒狀和短棒狀，不僅有利于減小共晶Si相在壓鑄鋁合金中造成應(yīng)力集中，還能通過(guò)彌散強(qiáng)化作用提高壓鑄鋁合金的強(qiáng)度。由圖5可以看出，隨著 Sr 元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)從 0.02% 逐漸增加到 0.08% ，壓鑄鋁合金的抗拉強(qiáng)度和斷后伸長(zhǎng)率逐漸升高。繼續(xù)增加Sr元素的添加量至質(zhì)量分?jǐn)?shù) 0.10% ，壓鑄鋁合金的抗拉強(qiáng)度和斷后伸長(zhǎng)率不再升高。當(dāng)Sr元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為 0.08% 時(shí)，壓鑄鋁合金的抗拉強(qiáng)度提高到 286.2MPa ，斷后伸長(zhǎng)率提高到 7.9% ，與未添加Sr元素的壓鑄鋁合金相比，抗拉強(qiáng)度和斷后伸長(zhǎng)率分別提高了 7.8% 和 16.2% 。

3.3對(duì)力學(xué)性能的影響

圖5所示為壓鑄鋁合金的抗拉強(qiáng)度和斷后伸

4結(jié)論

a.隨著 Sr 元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)從 0.02% 逐漸增加到 0.08% ，壓鑄鋁合金中共晶Si相形態(tài)逐漸從粗大的條狀和塊狀細(xì)化變質(zhì)成細(xì)小的顆粒狀和短棒狀，壓鑄鋁合金的流動(dòng)性試樣長(zhǎng)度、抗拉強(qiáng)度和斷后伸長(zhǎng)率逐漸提高。

b.添加質(zhì)量分?jǐn)?shù) 0.08% 的Sr元素，壓鑄鋁合金的流動(dòng)性試樣長(zhǎng)度增大至 879mm ，抗拉強(qiáng)度提高到 286.2MPa ，斷后伸長(zhǎng)率提高到 7.9% ，與未添加 Sr 元素相比，流動(dòng)性試樣長(zhǎng)度提高了 10.4% ，抗拉強(qiáng)度提高了 7.8% ，斷后伸長(zhǎng)率提高了16.2% 。

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