T5处理对铝合金(高真空)压铸件性能的影响

刘金辉发表于2024/6/20 10:11:23 T5热处理铸件性能铝合金

原标题：华南理工&文灿集团：T5处理对高真空压铸Al-10Si-Cu-Mg-Mn合金组织影响

铝合金具有密度小、比强度高、易于成形和耐腐蚀等特点，被认为是汽车轻量化的理想材料。压铸是制备铝合金件的主要成形方法之一，生产效率高，能成形多种复杂的薄壁零件。但是普通压铸具有高速高压的特点，易产生紊流，导致气体卷入，残留在铸件中形成气孔，从而导致铸件的力学性能下降，在后续热处理过程中还会出现起泡等缺陷。真空压铸能在充型前将型腔中的气体抽除，降低充型时的型腔气体压力，从而消除或大幅减少压铸件的孔洞缺陷，提高铸件性能。

在Al-Si合金中同时添加Mg、Cu元素，可以兼具Al-Si-Mg合金高耐蚀性和Al-Si-Cu合金的高强度、高耐热性，具有良好的综合力学性能。为了获得优异的力学性能，Al合金通常需要进行T6热处理。然而，在实际生产制造过程中，应该避免进行高温固溶处理，以防止铝合金产品起泡和尺寸变形。此外，据报道，使用高温固溶处理几乎会使最终铸件的成本增加一倍。因此，T5处理对于生产铸造铝合金至关重要。研究者研究了AlSi7CuMnMg压铸合金的低温时效工艺，发现最佳时效工艺为170℃×6h，此种条件下抗拉强度为303MPa，屈服强度为183MPa，伸长率为7.5%。通过优化Cu的含量开发T5热处理触变铸造Al-7Si-0.5Mg-0.5Cu合金，发现合金抗拉强度为296MPa，屈服强度为209MPa，伸长率为8.8%，力学性能可以与一些T6热处理后的Al-7Si-Mg合金相媲美。

作为最常见的Al-Si-Mg系压铸合金，关于高真空压铸Al-10Si-Mg-Mn合金添加Cu元素的研究报道较少。因此，本研究通过高真空压铸制备不同Cu含量的Al-10Si-Mg-Mn合金，采用光学显微镜（OM）、扫描电镜（SEM）和透射电镜（TEM）对铸态和T5态合金微观组织进行研究。研究Cu含量和T5热处理对合金微观组织的影响，为Al-10Si-Mg-Mn合金中Cu的添加量优化提供参考。

图文结果

熔炼合金所用的原材料分别为Al-Si-Mg-Mn铸锭以及Al-50Cu和Al-50Mg中间合金，采用TOYO BD-350T冷室压铸机，配备真空设备，压铸过程实际测得的真空度小于5kPa。试验期间每种材料按照比例（考虑烧损）称重，首先将Al-Si-Mg-Mn合金锭加入到电阻炉中，升温加热至合金熔化；待铝液温度稳定保持在700℃左右时，再加入Al-50Cu中间合金搅拌均匀，保温20min；然后加入Al-50Mg中间合金，变质剂为Al-10Sr合金，细化剂为Al-5Ti-B合金，搅拌均匀，保温10min；加入除渣剂，静置10min；通入高纯氩气，静置15min，扒渣。690℃下进行浇注，压铸模具预热至180℃，高速速度为2m/s，增压压力为80MPa。3组高真空压铸合金实测成分见表1。实际压铸件见图1，厚度分别为2、4、6和8mm的4种拉伸试样。

表1 试验合金的化学成分(%)

图1 压铸试样实物图

图2 拉伸试样尺寸

(a)1号 (b)2号 (c)3号
图3 高真空压铸Al-10Si-0.5Mn-0.4Mg-xCu合金铸态金相组织

可以看出，3组合金的铸态组织主要由α-Al及Al-Si共晶相组成。其中α-Al晶粒有两种类型，分别标记为α1-Al和α2-Al。这是因为压铸凝固过程是一个两阶段过程，当熔化后的铝液倒入压室，压室内相对较低的温度能够将铝液冷却至液相线温度以下，此时α1-Al晶粒在压室中开始形核并生长，因此也被称为压室预结晶。这些晶粒伴随着未凝固铝液一同进入模具型腔，因为有充足时间长大，造成最终尺寸较粗大。在模具型腔填充过程中，由于冷却速率非常快，因此形成了更细小、形状也更为圆整的α2-Al晶粒。经Sr元素变质后的共晶Si呈纤维状，同时在共晶区存在呈现出多边形的富Fe相，通过EDS能谱分析确认其为α-Fe相。

(a)1号SEM (b)2号SEM (c)3号SEM

(d)EDS1 (e)EDS2 (f)EDS3
图4 高真空压铸Al-10Si-0.5Mn-0.4Mg-xCu合金铸态SEM形貌和EDS结果

表2 高真空压铸Al-10Si-0.5Mn-0.4Mg-xCu合金铸态金属间化合物面积分数统计结果

图5 高真空压铸Al-10Si-0.5Mn-0.4Mg-xCu合金平均硬度与时效时间曲线

图6为Al-10Si-0.5Mn-0.4Mg-xCu合金T5热处理后的金相组织。可以看出，3组合金的T5态金相组织依然由α-Al、Al-Si共晶区及α-Fe组成，与铸态合金相比，α-Al、共晶Si相和α-Fe相的形貌没有发生明显变化。图7为合金经T5热处理后的背散射SEM图片。依旧能观察到深灰色、浅灰色以及亮白色的金属间化合物，相应的EDS分析结果显示，金属间化合物仍为α-Fe、Q和θ相，形貌没有发生变化。表3为峰值时效时1~3号合金中α-Fe、Q和θ相的面积分数，可以看出，α-Fe相分别为1.13%、1.09%和1.11%，Q相分别为0.89%、0.82%和0.86%，θ相分别为0.74%、1.66%和2.64%，与铸态合金结果相比，金属间化合物面积分数没有发生明显变化，表明T5热处理不会改变相类型和数量。