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        鐵含量對汽車用鋁合金組織與性能的影響

        2019-07-09 23:33:04周坤如周語祺
        時代汽車 2019年6期
        關(guān)鍵詞:鐵元素共晶熱處理

        周坤如 周語祺

        摘 要:A356為美標的鋁合金牌號,該合金的具備較好的耐蝕性,并且體現(xiàn)為優(yōu)良的抗疲勞性、加工性以及熱處理性能。因此在目前的現(xiàn)狀下,很多制造企業(yè)都會傾向于選擇此類的合金材料用于制造汽車輪轂或者汽車缸體。從微觀結(jié)構(gòu)的角度來講,此類合金主要包含了金屬化合物,并且含有共晶硅離子以及硅的沉淀物。從合金的內(nèi)部結(jié)構(gòu)角度講,鐵元素對于整體的合金結(jié)構(gòu)以及合金性能占據(jù)最大的影響比例。因此,本文重點研究Fe元素對A356鑄造鋁合金力學(xué)性能的影響,該試驗過程中,根據(jù)其合金成分組成,在基本確保其他元素不變的前提下,重點試制3種不同含量Fe元素的試樣,通過鑄造、熱處理、組織觀察、拉力試驗過程分析Fe對鋁合金組織和性能的影響。通過試驗分析出結(jié)果為改變 A356 鋁合金中鐵含量將改變Fe的組織形態(tài),從而改變組織結(jié)構(gòu),最終提升鋁合金的拉伸力學(xué)性能。

        關(guān)鍵詞:A356鋁合金;鑄造;熱處理;微觀組織;力學(xué)性能(Rp0.2,Rm,A5)

        1課題研究背景和意義

        進入新時期后,汽車設(shè)計行業(yè)總體上已經(jīng)達到較高的產(chǎn)品設(shè)計水準,而相應(yīng)的汽車設(shè)計技術(shù)也體現(xiàn)為多樣化的基本趨勢。對于現(xiàn)階段的汽車工業(yè)來講,總體趨勢主要體現(xiàn)在節(jié)能型與輕型的汽車設(shè)計。在此前提下,很多企業(yè)制造商針對設(shè)計新型的汽車零部件更多運用了鋁合金作為其中的主要材質(zhì)。并且,目前對于汽車輪轂、熱交換器以及其他的汽車部件都已經(jīng)能夠運用A356型號的鋁合金材質(zhì)。除此以外,設(shè)計技術(shù)人員針對某些型號的汽車車身、底盤與發(fā)動機都可以選擇此類的鋁合金材質(zhì)用于進行優(yōu)化設(shè)計。因此在現(xiàn)階段的汽車工業(yè)領(lǐng)域,A356的鋁合金已經(jīng)能夠獲得較廣的技術(shù)運用。

        由于鋁合金的密度相對于鋼材料密度小很多,同尺寸下鋁合金材質(zhì)比鋼材質(zhì)輪轂要輕得60%以上。與鋼制的汽車輪轂進行對比,可見鋁合金材質(zhì)的輪轂具有更小的轉(zhuǎn)動慣性,進而對于整車的加速能力與起動能力都能有效進行提升。并且,汽車是否體現(xiàn)為優(yōu)良的制動性,其在根本上也決定于鋁合金材質(zhì)。從鋁硅合金的角度來講,析出的鐵元素具有針狀的形態(tài),此種針狀的析出物將會明顯減損原有的合金力學(xué)性能。并且,針狀的鐵元素具有較強的材料脆性,因而很可能損害固有的金屬基體。此外,鋁合金由于受到針狀的鐵析出物影響,那么將會明顯降低原有的合金力學(xué)性能。

        2 實驗過程和方法

        2.1 材料

        工業(yè)純鋁、純硅塊、鎂錠、Al-10Ti中間合金、Al-10Fe中間合金、Al-5Ti-B細化劑、精煉劑、高純氬氣等。

        2.2 實驗過程

        具體包含試樣的熔煉鑄造過程、熱處理過程、組織觀察、力學(xué)性能以及斷口組織觀察等。

        2.3 實驗方法

        1)合金成分設(shè)計:實驗鋁合金成分設(shè)計依據(jù)為 A356鑄造鋁合金錠化學(xué)成分,執(zhí)行標準:ASTM;主要成分 如下,硅 Si:6.5~7.5、鎂 Mg:0.25~0.45、鈦 Ti:0.08-0.20、鋁 Al:余量;雜質(zhì)包含,鐵Fe: 0.000~ 0.200、銅 Cu:≤0.1、錳 Mn:≤0.10、 Zn:≤0.1、鋯 Zr:≤0.20、錫 Sn:≤0.01、鉛 Pb:≤0.03以此為依據(jù),設(shè)置3組成分,其他成分不變,將Fe的含量分別設(shè)置為2000ppm,1000ppm,200ppm,具體成分分析如表1。

        2)實驗過程包含試樣熔煉鑄造、熱處理、組織觀察、性能測試等過程;

        3)熔煉工藝:熔煉過程包含熔煉、除氣和變質(zhì)處理等精煉工藝。

        ①熔煉過程:采用坩堝電阻爐,將鋁錠在坩堝內(nèi)熔化,熔化溫度小于725℃,然后按照成分配比計算相應(yīng)重量的硅塊加入到已熔化的鋁合金液中,加入硅塊之后,用鋁錠將硅塊壓住鋁合金液內(nèi)部,禁止硅塊裸露在空氣中。待全部熔化后,攪拌均勻,將溫度調(diào)整到680—700℃,將鎂塊壓入到鋁合金液中的,待鎂全部熔化后,最后在精煉前加入鋁鈦硼絲。

        ②精煉: 去除鋁合金中的氣體,非金屬夾雜物和其它有害元素。除氣使用旋轉(zhuǎn)噴吹氬氣精煉裝置。

        ③變質(zhì)處理: 通過細化合金組織,改變共晶硅形態(tài),最終提高鑄件的力學(xué)性能。

        4)熱處理工藝:采用鋁合金鑄件T6熱處理工藝程序,主要工序包含:加熱-保溫-淬火-時效。

        5)組織觀察:對A356鋁合金金錠取樣,并制成金相樣品,備用觀察。利用金相顯微鏡對A356鋁合金金錠樣品組織形態(tài)進行研究,然后通過MIAPS工程軟件對觀察試樣內(nèi)部的富鐵相的寬度以及長度進行測量分析。

        6)性能測試:運用電子萬能材料試驗機對所制得的拉伸試樣進行拉伸試驗,抗拉試樣按照如圖2所示的樣式國家標準制造試樣。各個含鐵量鋁合金試樣取3個拉伸試樣進行操作,對3次結(jié)果求得平均值作為其最終結(jié)果。

        3 結(jié)果與討論

        3.1 熱處理前后組織的變化

        在全面經(jīng)過熱處理的前提下,待測試件將會具有相對較好的綜合力學(xué)性能。探究其中的根源,主要在于析出的Mg2Si具有非平衡相的特征。共晶硅相的大小、形貌與分布狀態(tài)在固溶處理過程中都發(fā)生了較大的改變。在此過程中,經(jīng)過肉眼觀察即可看到細小并且呈現(xiàn)球狀的共晶硅。具體對于硅顆粒而言,分布均勻的硅顆粒將會直接影響到晶粒物質(zhì)的尺寸、外貌形態(tài)、力學(xué)特性以及空間分布等各項基本屬性。并且經(jīng)過較長的保溫時間后,觀察可見明顯增大的顆粒間隔距離,并且體現(xiàn)為顯著減少的硅相顆粒比例。由此可見,在持續(xù)長時間進行保溫處理的基礎(chǔ)上,溶液基體內(nèi)部將會融入更多的硅元素與鎂元素。與此同時,某些未能被溶解的硅顆粒也會繼續(xù)表現(xiàn)為沉淀現(xiàn)象。

        圖3.1-1和圖3.1-2所示的組織均為固溶淬火+時效處理的組織。在某些情況下,析出的基體顆粒呈現(xiàn)球狀的均勻分布形態(tài),并且不再表現(xiàn)為卵狀的最初形狀。

        3.2 鐵含量對微觀組織的影響

        圖3.2-1顯示了α-Al相(初生)部分整體上呈現(xiàn)白色。然而經(jīng)過凝固處理以及冷卻處理后,此類物質(zhì)將會轉(zhuǎn)變成樹枝狀或者晶粒狀的特殊形態(tài)。因此可以判斷出,此類的鋁合金物質(zhì)仍然不具備最佳的韌性、強度以及可塑性。為了達到全面優(yōu)化物質(zhì)性能的效果,那么關(guān)鍵在于增強鋁合金物質(zhì)固有的可塑性特征,并且還要運用適當?shù)募夹g(shù)措施來實現(xiàn)針對鋁合金整體強度的提升。

        圖3.2-2中顯示了共晶的硅相物質(zhì)主要呈現(xiàn)深灰色,但是不規(guī)則的鐵相鋁合金同樣也呈現(xiàn)灰色的顏色。富含鐵相物質(zhì)的鋁合金具有較差的切削性能,因而很難達到提升力學(xué)性能的效果。在此前提下,技術(shù)人員就需要運用適當措施來進行富含鐵相物質(zhì)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)改進。唯有如此,鋁合金材料才會達到較好的力學(xué)特性,同時也能達到有效改進力學(xué)特性的效果。

        經(jīng)過分析可見,金屬化合物以及鐵相物質(zhì)之間可以產(chǎn)生特定的化學(xué)反應(yīng),進而生成了穩(wěn)定性較強的晶粒物質(zhì)。對于金屬狀態(tài)的鋁合金液體來講,A19FeMg3Si物質(zhì)占據(jù)較低的含量比例。然而與之相比,A15FeSi物質(zhì)本身也包含了較高比例的金屬化合物,此外還包含較多的晶粒物質(zhì)。對于呈現(xiàn)灰色的共晶硅而言,合金組織的內(nèi)部包含較多的此類共晶元素。但是實際上,此類共晶物質(zhì)并不具有規(guī)則的物質(zhì)形態(tài)。經(jīng)過觀察可見,共晶物質(zhì)的邊界仍然是十分清晰的,而塊狀的不規(guī)則形態(tài)主要體現(xiàn)在硅元素的分布上。

        例如對于呈現(xiàn)樹枝狀的α-Al相(初生)物質(zhì)而言,此類物質(zhì)呈現(xiàn)混亂以及不規(guī)則的形態(tài)。晶體如果處于初生的狀態(tài),那么將會呈現(xiàn)特定的生長方向。并且對于合金組織內(nèi)部散布的針狀或者長條狀的粗大硅相物質(zhì)來講,如果沒有做到有效控制硅相物質(zhì)蔓延,那么很可能呈現(xiàn)組織斷裂的現(xiàn)象。并且在多數(shù)情況下,晶粒物質(zhì)還可能會聚集較多的受力點,并且最終造成力學(xué)性能的明顯降低。

        3.3 力學(xué)性能結(jié)果分析

        通過對3種不同含量成分、各3組試樣進行性能測試,具體數(shù)據(jù)如表2。

        由表2可知,隨著鐵含量下降,A356 鋁合金的抗拉力強度和屈服強度有所上升。

        3.4 斷口形貌分析

        拉伸試驗后,對于原有的試驗物質(zhì)通過運用化學(xué)反應(yīng)的方式,從而將其轉(zhuǎn)變?yōu)榻鹣嘣嚇印2⑶?,對于縱向的試樣斷裂剖面進行了詳細觀察,如下圖。針對斷口形態(tài)在進行詳細觀察后,可以察覺到邊緣的斷口部位分布著較多的硅粒子。此外,擴展裂紋的大致方向為共晶硅離子的裂紋延伸方向。在離斷口面稍近位置處可以觀察到鑄造縮孔,同時在斷口邊緣可觀察到斷裂的共晶硅粒子。

        3.5 力學(xué)性能差異的原因分析

        隨著鐵含量上升,A356鋁合金的抗拉力強度有所下降。因此如果要達到明顯提升合金固有力學(xué)性能的效果,那么關(guān)鍵在于適當降低鐵元素在整個鋁合金中占據(jù)的比例。例如在保持0.6%的鐵元素比例時,鋁合金物質(zhì)就會維持穩(wěn)定性較強的斷面收縮性以及延伸率。這主要是由于,析出后的鐵元素多數(shù)呈現(xiàn)針狀的特殊形態(tài),因此在客觀上能夠達到割裂鋁合金基體的效果。

        由于受到拉伸力導(dǎo)致的明顯影響,那么鋁合金就會突然表現(xiàn)為碎裂的現(xiàn)象。在某些情況下,鐵元素如果呈現(xiàn)總量下降的現(xiàn)象,那么α-Fe 相的物質(zhì)將會代替原有的 β-Fe 相物質(zhì),此種物質(zhì)改變同樣也會影響到鋁合金的基本性能。尤其是對于拉伸性能較差的鋁合金物質(zhì)而言,如果運用以上的物質(zhì)轉(zhuǎn)化方式,則可以達到拉伸性能顯著增強的效果。

        4 研究總結(jié)與創(chuàng)新點

        1.一般對鋁合金雜質(zhì)的研究,特別是對Fe的雜質(zhì)影響的研究分析,一般設(shè)計合金成分為2%向0.6%比例區(qū)間分析,而本文針對A356合金成分設(shè)計時從0.2%到0.02%之間進行分析,具有較大的突破性;

        2.鐵元素在整個鋁合金中如果呈現(xiàn)變化的比例,那么與之有關(guān)的各種合金物質(zhì)也會相應(yīng)改變固有的尺寸與數(shù)量,其中典型為β-Fe以及α-Fe相的合金物質(zhì)。例如在減少鐵含量的前提下,針狀的合金物質(zhì)也會呈現(xiàn)明顯降低的比例,但是卻會明顯增大原有的α-Fe相比例。

        3.A356鋁合金中Fe含量的改變引起合金內(nèi)部富鐵相改變。在減少鐵元素比例的情況下,合金物質(zhì)將會增大固有的力學(xué)特性。由此可見,鐵元素比例以及合金性能之間具有內(nèi)在的聯(lián)系。

        參考文獻:

        [1]孟波,楊鋼,陳德斌,等.A356鋁合金的鑄造方法對其組織和性能的影響[J].云南冶金,2007,36(4):49-52.

        [2]范曉明,劉建方,文紅艷.Mn對高鐵鋁硅合金中鐵相形態(tài)和力學(xué)性能的影響[J].特種鑄造及有色合金,2008,28(8):594-596.

        [3]陳東風(fēng),曹志強,張婷.錳的含量對A356合金中富鐵相的形貌以及電磁過濾的影響[J].機械工程材料,2007,31(6):42-45.

        [4]董華夏.A356鋁合金汽車輪轂中富鐵相的研究.北京:燕山大學(xué),2015.

        [5]饒曉曉.A356 鑄造鋁合金熱處理強化工藝研究.武漢:華中科技大學(xué),2007.

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