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(chē)零部件的生產(chǎn)，如：活塞、缸體、缸蓋、車(chē)輪及制動(dòng)盤(pán)等零件，但由于鑄造鋁硅合金的強(qiáng)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(guò)程中，就發(fā)動(dòng)機(jī)缸蓋材料來(lái)看鋁合金正在逐步替代灰鑄鐵或合金鑄鐵.由于發(fā)動(dòng)機(jī)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(jī)械性能和鑄造性能[3].為了滿(mǎn)足發(fā)動(dòng)機(jī)缸蓋對(duì)材料鑄造性、強(qiáng)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(guò)對(duì)合金成分的優(yōu)化設(shè)計(jì)來(lái)達(dá)到改善壓鑄鋁合金綜合力學(xué)性能的目的，為實(shí)際生產(chǎn)提供參考.

1 試驗(yàn)流程

1.1 試 樣

試驗(yàn)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(yàn)方案

試驗(yàn)主要分為三個(gè)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(jì)合金中Si，Cu，Mg，Mn 四種元素的含量，通過(guò)單因素試驗(yàn)得到合金中元素的最優(yōu)含量.(2)在單因素試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，通過(guò)正交試驗(yàn)確定4種元素的最佳含量.(3)通過(guò)金相顯微鏡觀察合金元素的加入對(duì)壓鑄鋁合金組織影響的規(guī)律.試驗(yàn)流程如下圖1所示.

表2 ADC12鋁合金成分范圍

圖1 試驗(yàn)工藝流程圖Fig.1 The experimental process flow chart

2 試驗(yàn)結(jié)果及討論

2.1 單因素試驗(yàn)

進(jìn)行單因素試驗(yàn)時(shí)，一種元素含量作為變量，其余三種元素含量保持不變.試驗(yàn)中各元素質(zhì)量分?jǐn)?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(yàn)分別向合金中添加不同量的Si，Cu，Mg，Mn元素時(shí)，考查合金力學(xué)性能的變化情況.在4種元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%Si，1.5%Cu，0.1%Mg，0.1%Mn的條件下，分別進(jìn)行Si，Cu，Mg，Mn添加量對(duì)鑄態(tài)合金抗拉強(qiáng)度與延伸率影響的單因素試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如圖2～5所示.

圖2 鑄態(tài)下Si含量對(duì)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?jǐn)?shù)的增加，合金的抗拉強(qiáng)度先增大后降低.當(dāng)Si質(zhì)量分?jǐn)?shù)為11%時(shí)合金的力學(xué)性能最好，此時(shí)合金的抗拉強(qiáng)度達(dá)到248.6 MPa，延伸率為1.15%；當(dāng)Cu質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3%時(shí)，合金的抗拉強(qiáng)度與延伸率均達(dá)到最大，分別為276.7 MPa，2.36%.隨著Mg和Mn質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，合金的抗拉強(qiáng)度與延伸率增大.在Mg質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.3%時(shí)，合金的力學(xué)性能最優(yōu)，合金的抗拉強(qiáng)度與延伸率分別為264.38 MPa，2.21%；當(dāng)Mn質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.5%時(shí)，合金的抗拉強(qiáng)度與延伸率均達(dá)到最大，分別為259.92 MPa，1.93%.單因素試驗(yàn)時(shí)表明，Si，Cu，Mg，Mn四種元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為11%，3%，0.3%，0.5%時(shí)，合金的綜合力學(xué)性能最好.

2.2 正交試驗(yàn)

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

圖3 鑄態(tài)下Cu含量對(duì)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(duì)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(duì)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(yàn)結(jié)果

續(xù)表4

合金主要元素含量對(duì)合金抗拉強(qiáng)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(duì)合金抗拉強(qiáng)度及延伸率的影響順序皆為：Mg>Mn>Cu>Si.(1)當(dāng)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?jǐn)?shù)分別為11%，3.5%，0.2%，0.6%時(shí)，合金的抗拉強(qiáng)度達(dá)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?jǐn)?shù)分別為11%，3.5%，0.2%，0.5%，此時(shí)合金的抗拉強(qiáng)度為289 MPa，延伸率為2.05%.(2)當(dāng)四種元素含量組合為A2B2C3D3，即Si，Cu，Mg，Mn四種元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為11%，3.0%，0.4%，0.6%時(shí)，合金的延伸率達(dá)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(shí)合金的抗拉強(qiáng)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(shí)合金的抗拉強(qiáng)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(duì)合金組織的影響

在Cu，Mg，Mn三種元素的質(zhì)量分?jǐn)?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?yàn)楦籉e 相，主要呈塊狀和條狀，尺寸相對(duì)較大.黑色區(qū)域?yàn)楣簿i相，呈長(zhǎng)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(cuò)亂、呈樹(shù)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(xì)化，初晶硅的尺寸減小，并呈現(xiàn)細(xì)條狀，樹(shù)枝晶破碎呈短棒狀，共晶Si相也得到較大程度的細(xì)化，金屬流動(dòng)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(lái)說(shuō)，Si元素的增加會(huì)降低Mn在Al中的溶解度，促進(jìn)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(duì)合金組織的影響

合金中加入Cu元素后，Cu會(huì)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(qiáng)度和硬度，但會(huì)使鋁合金的伸長(zhǎng)率有所降低；Cu在Al-Si合金中會(huì)形成強(qiáng)化相 Al2Cu 及 Al4Mg6Cu4Si4，這兩種強(qiáng)化相有助于提高合金的強(qiáng)度[6].在Si，Mg，Mn三種元素的質(zhì)量分?jǐn)?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(xì)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(duì)合金組織的影響

在Si，Cu，Mn三種元素的質(zhì)量分?jǐn)?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(dāng)Mg含量增大時(shí)，Mg與Si在合金中會(huì)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(qiáng)度提高.然而當(dāng)Mg含量過(guò)高時(shí)，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(qiáng)度降低[7].隨著Mg含量的增加，白色塊狀物增加，樹(shù)枝狀共晶Si的面積逐漸縮小.圖8(b)顯示，當(dāng)Mg質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到0.3%時(shí)，基體Al與共晶Si的分布趨于有序，有助于細(xì)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(duì)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(duì)合金塑性的不利影響，同時(shí)能夠細(xì)化晶粒、阻止晶粒長(zhǎng)大和再結(jié)晶.在固溶過(guò)程中Mn會(huì)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(shí)，Al6Mn相會(huì)阻礙晶界的滑移，有助于提高合金的抗拉強(qiáng)度.

在Si，Cu，Mg三種元素的質(zhì)量分?jǐn)?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(zhǎng)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(zhǎng).同時(shí)，共晶組織得到明顯細(xì)化，由長(zhǎng)針狀變?yōu)榧?xì)小的短棒狀，減少了裂紋擴(kuò)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(qiáng)度先增大后降低；隨Mg和Mn含量增加，合金的抗拉強(qiáng)度與延伸率皆增大.四種元素含量對(duì)合金抗拉強(qiáng)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(shí)，合金的力學(xué)性能最好，其抗拉強(qiáng)度為285 MPa，延伸率為2.23%.