原标题：浇注温度对压铸Al-10Si-0.3Mg铝合金组织演变及性能影响

摘要：主要研究了 Al-10Si-0.3Mg铝合金压铸过程中不同浇注温度对其组织演变及性能影响，结果表明，当浇注温度为650 oC时，合金的力学性能与热导率最优。随着浇注温度升高，合金冷却速率减小，一次枝晶和二次枝晶间距增加，初晶Si及α-Al的尺寸增大，强度下降；气孔数量增加，有效导热面积减小，热导率下降，合金的断口中韧窝数量和尺寸减少，从而使合金的塑性降低。

随着5G通讯时代的到来，交通与通讯领域产品的结构朝着集成化、轻量化方向发展，因此对材料散热性能及承载能力的要求不断增加。对于通讯和和交通领域复杂的散热结构件，由于其壁厚不均，对材料流动性及散热性能要求越来越高，使用铸造铝硅合金既可以满足其成形性又能大批量生产。传统的铝硅系铸造铝合金，如ADC12的热导率为92 W/(m•K)，屈服强度为156 MP，已经不能满足其性能要求，国内研究者根据成分、工艺、组织性能展开一系列研究，以提高铝合金的综合性能。近年来日本开发了DMS系列及DX系列高导热铸造铝合，其中DMS1、DMS3、DX17、DX19合金的热导率高达150~210W/(m•K)，然而屈服强度小于120 MPa，DMS5是ADC12的换代产品，热导率大约为ADC12的1.6倍，屈服强度与ADC12相近。本课题自行设计的Al-10Si-0.3Mg压铸铝合金具有良好的流动性，可热处理强化，热导率与DMS5接近，屈服强度高于DMS5，成形性与ADC12相当，耐蚀性优于ADC12，可以满足新一代通讯器件及汽车散热零部件对于较高热导率及屈服强度的迫切需求。

浇注温度对铸件性能和质量有重要的影响，房元明等通过对铝合金的连杆压铸件模拟，发现了浇注温度对铸件的缺陷有重要影响，王绍著等生产铝合金汽车支架，使用近液相线的浇注温度，可获得均匀细小的球状组织。采用JMatPro软件模拟Al-10Si-0.3Mg铝合金的液相线较ADC12高10 oC，选择合适的浇注温度对于改善其综合性能有着重要的作用。当低温浇注时，合金流动性降低，导致压铸充型较为困难，采用较高的浇注温度会使合金的收缩增加，金属液中的气体溶解度增大，疏松和气孔等缺陷容易产生，从而降低合金的性能甚至造成产品报废因此。本课题以Al-10Si-0.3Mg为对象，研究了浇注温度对其组织、力学性能及热导率的影响，确定了Al-10Si-0.3Mg铝合金合适的浇注温度，旨在实现改善合金性能、提升铸件质量的目的。

1、试验方案

1.1 合金成分

本试验的Al-10Si-0.3Mg系合金是自行设计的成分，综合考虑流动性、强度及导热性，其化学成分见表1。采用的主要原料为99.9%的纯铝、2202结晶硅、纯镁锭、75%铁添加剂。

表1. 合金的主要成分wb/%

1.2 制备过程

配制合金200 kg，在300 kg电阻炉中熔化，首先进行烘炉，待炉温达到700 ℃时加入99.9%纯铝锭，熔化3 h，待铝锭完全熔化并且铝液温度达到800 ℃时加入2202结晶硅，升温至850~900 oC熔硅，期间不断搅拌，直至完全熔化。随后加入铁添加剂，搅拌，待完全熔化后加Mg，镁块完全浸入铝液中，杜绝明火，搅拌5 min后进行熔剂精炼，精炼温度为710-730 oC，精炼剂使用无钠无钙精炼剂，使用量按2 kg/t，转速为250~350 r/min，气体流量为5~10 L/min。精炼时间为20min。精炼完成后扒渣、成分达到稍高设计值时，取样，在斯派克M12(LAB)直读光谱仪上进行分析，成分合格后进行压铸，本试验过程在同一炉次中完成，且顺序为低温到高温。

采用DCC280 型 2800 kN压铸机，其锁模力为 280 k N，料柄厚度大约为 15 mm，采用模温机控制模具表面温度，设定为 200 ℃。压射力为 330 k N，压射时间为 3.5 s，冷却时间为 2.0 s，压铸时充头的行程位置：一快位置设定为 100 mm，二快设定为250 mm，选择增压的位置为280 mm，所成形的标准拉伸试棒见图1。为了研究浇注温度对试样显微组织、力学性能及热导率的影响，一共制备了 650、680、720 ℃ 3组浇注温度的试样。

图1:压铸力学性能试棒及热导率试样

1.3 组织性能分析

采用深圳三思电子万能试验机测试拉伸试棒的力学性能，拉伸速率为1 mm/mm；将压铸Ф12.7 mm×2mm的标准热导导率试样（见图1），采用德国耐驰LFA467激光闪射仪测试；从拉伸试棒中间标距段内取样，通过标准制样程序制备金相试样并腐蚀后后，采用Olympus GX53型显微镜及Phenom XL台式扫描电镜对试样进行显微组织观察和分析。

2、试验结果与讨论

2.1 显微组织观察

图2为不同浇注温度下合金的金相组织。可以看出，组织中白色的圆状与椭圆状组织为初生α-Al，短小针状与枝晶间白色α固溶体构成(α+Si)共晶，并且有少量初晶硅存在。黑色的点状物为气孔，由于合金的Mg含量较低，只有少量的Mg2Si呈颗粒状态、鱼骨状、树枝状存在。另外，可以看出随着压铸温度升高，合金的气孔逐渐增多，初晶Si及α-Al的尺寸增大，因为金属铝具有很好的塑性，但是其强度较低，然而随着浇注温度升高，合金中气孔数量增加，致使金属铝的的塑性优势难以体现，且初晶Si为脆应相，尖端及边部容易造成应力集中，其尺寸增大致使合金的强度进一步降低。

图2:不同浇注温度时Al-10Si-0.3Mg铝合金的微观组织

2.2 不同浇注温度下合金X光无损检测图

图3 为不同压铸温度下合金X光无损检测图。可以明显看到随着压铸温度升高，铸件中的气孔逐渐增多，由650 oC压铸时的点状分布的气孔变成720 oC时的网状分布的气孔。当压铸温度升高时，金属液的冷却梯度变大，凝固时的体积收缩量大，铸件内部形成气孔，这与铸件金相组织中观察到的结果一致。

图3:不同浇注温度下Al-10Si-0.3Mg铝合金X光无损检测图

2.3 不同浇注温度的Al-10Si-0.3Mg铝合金的力学性能

图4为随着压铸温度的变化铸件的力学性能。可以看出压铸件试样的平均力学性能随着压铸温度的升高而降低。浇注温度为650 oC时，合金抗拉强度，屈服强度及伸长率取得最大值，分别为298MPa，201MPa，5.62%。当压铸温度升高，其他参数（速度、时间、压力）保持不变时，填充结束后压铸件的温度会相应的升高，合金的凝固时间增加，导致其凝固速度降低，因此造成合金晶粒变得粗大，一次枝晶和二次枝晶间距增加，气孔数量增加，从而导致合金的力学性能变差。压铸铝合金的性能优劣取决于初生α-Al相、共晶Si、初晶Si、二次相金属间化合物及气孔的形态、大小和分布。

图4:不同浇注温度时Al-10Si-0.3Mg铝合金的力学性能

2.4 不同浇注温度的Al-10Si-0.3Mg铝合金热导率及密度

图5为Al-10Si-0.3Mg合金的热导率和密度。可以看出，随着浇注温度升高，合金的热导率和密度均下降，这是因为，浇注温度升高，合金中气孔的数量增多，有效导热面积减小，从而使得合金的热导率下降。同时第二相貌的改变，造成晶格畸变增大。电子、晶格震动波和电磁辐射是金属中传导热量的载体，传导的总热量是各载体传导的叠加，金属中存在大量的自由电子，能够迅速实现热量传递，电子传热是其主要传热方式。因此凡是对金属内部的组织产生不均匀的因素，都会增加电子波的散射，从而导致合金的热导率降低。

图5:不同浇注温度时Al-10Si-0.3Mg铝合金的热导率与密度

2.5 不同浇注温度的Al-10Si-0.3Mg铝合金断口形貌

图6是不同浇注温度下铸件拉伸后的断口形貌图。对于铝硅合金来说，随着枝晶尺寸的变小，合金的断裂模式由穿晶断裂转变为沿晶断裂。而本试验中的合金组织中的第二相主要为金属间化合物，初晶Si、共晶Si，这些第二相对合金的拉伸断裂有很大的影响。当压铸温度为650 oC时，断口表面有大量的韧窝，韧窝比较浅和小，在断口表面大量分布着准解理面，同时可以看到分布着河流状花纹，因此合金塑性相对较好，见图6a。当压铸温度升高到680 oC时，断口形貌中有撕裂棱存在，韧窝数量及尺寸减少，见图6b。从图6 c可以看出，720 oC时断口形貌存在平坦面且韧窝数量极少，使塑性进一步变差。

图6:不同浇注温度时Al-10Si-0.3Mg铝合金拉伸断口形貌

3、结论

（1）浇注温度为650 oC时，合金抗拉强度，屈服强度及伸长率取得最大值，分别为298 MPa，201 MPa，随着浇注温度升高 ，冷却速率小，组织中的初晶Si及α-Al的尺寸增大，一次枝晶和二次枝晶间距增加，合金的力学性能下降。

（2）随着浇注温度升高，合金吸气严重，合金密度减小，有效导热面积减小，从而使得合金的热导率下降。

（3）通过扫描电镜观察断口形貌，当浇注温度升高时，合金的断口中韧窝数量和尺寸减少，从而使合金的塑性下降。

文章作者

闫俊 范卫忠 高伟全
华劲新材料研究院（广州）有限公司

石帅
河钢集团钢研总院

本文来自:《特种铸造及有色合金》杂志2021年第41卷第11期