楊興國

微量Mg元素對Al-Si-Cu合金鑄件組織及力學性能的影響

楊興國

（重慶工商職業(yè)學院 智能制造與汽車學院，重慶 401520）

針對發(fā)動機氣缸體因力學性能差引起熱機異響故障問題，文章結合優(yōu)化調(diào)整工藝參數(shù)、改進模具澆注及冷卻系統(tǒng)方案、增加熱處理工藝等有效降低鑄件縮孔、縮松率、提高鑄件氣密性的措施，重點研究了微量Mg元素對鑄態(tài)Al-Si-Cu合金組織及力學性能的影響。結果表明，Mg在含量0.05%～0.55%范圍內(nèi)，隨著Mg含量的增加，組織中存在于共晶Si和基體Al交界處的強化相Mg2Si逐漸增加；當Mg含量大于0.3%時，鑄件的抗拉強度和屈服強度分別達到230.6 MPa和157.3 MPa，提升了43.6%和69.9%，實際應用中可以確定Mg含量為0.3%～0.55%，以確保鑄件具有穩(wěn)定的力學性能，避免誘發(fā)其他機械故障。

Mg元素；Al-Si-Cu合金；鑄件組織；力學性能

壓鑄鋁合金具有比較高的比強度、抗腐蝕性能、鑄造性能及良好的導電導熱性能，被廣泛應用于汽車、家電及航空航天領域[1]。其中，汽車發(fā)動機氣缸體工作條件為高溫高壓、耐腐蝕性以及承受周期性慣性力和慣性力矩，這就要求氣缸體壓鑄件具有良好的力學性能。隨著汽車輕量化進程的深入，壓鑄鋁合金逐漸取代鑄鐵成為制造汽車發(fā)動機缸體及其他汽車零部件的主流材料，其中，Al-Si-Cu系合金由于收縮率低、流動性強和熱裂傾向小，是壓鑄鋁合金中用量較大的合金系列之一[2]。某款汽車發(fā)動機缸體在進行熱區(qū)質保路試時出現(xiàn)熱機啟動異響故障，進行發(fā)動機漏氣量檢測，實測漏氣量超過限值27.6%。通過分析發(fā)現(xiàn)，故障原因為發(fā)動機氣缸體力學性能不穩(wěn)定，工作時熱膨脹量大，導致缸筒變形而漏氣引起熱機啟動異響。已有研究表明Mg是Al-Si-Cu合金的主要強化元素，可與Si形成Mg2Si強化相，尤其是經(jīng)熱處理后形成大量的Mg2Si強化相，從而有效提高合金的性能[3]，同時，Mg還能抑制Fe相的有害作用。本文涉及的發(fā)動機氣缸體采用的AlSi9 Cu3合金Mg含量為0.05%～0.55%，范圍較寬。因此，微量元素Mg含量波動大可能是鑄件力學性能不穩(wěn)定的潛在因素。為此，本文通過改變鑄態(tài)AlSi9Cu3合金中Mg含量研究其對合金顯微組織及力學性能的影響，為提升鑄件機械性能及穩(wěn)定性提供借鑒。

1 氣缸體結構及力學性能分析

1.1 氣缸體結構分析

某4缸壓鑄鋁合金汽車發(fā)動機缸體。鑄件毛坯質量為12.6 kg，采用東芝2800T冷室壓鑄機壓鑄，鋁合金牌號為YZAlSi9Cu3，化學成分如表1所示。氣缸體平均壁厚14.7 mm，最大壁厚51.2 mm，屬于壁厚較大的高壓鑄件，壓鑄時需重點控制縮孔、縮松缺陷。氣缸體內(nèi)設計有潤滑油道、冷卻水道、機油尺孔以及安裝孔等，結構復雜，壓鑄時應防止銷孔附近產(chǎn)生裂紋。氣缸體軸承孔在發(fā)動機工作時承受活塞往復運動產(chǎn)生的慣性力和慣性力矩，要求鑄件具有較高的力學性能。理論研究及實踐工程經(jīng)驗表明，鑄件壁厚較大、模溫梯度大和Al液充型不良等易導致鑄件縮孔、縮松缺陷。文獻[4]指出，隨著縮孔面積分數(shù)和平均尺寸的增大，鋁合金鑄件抗拉強度呈下降趨勢；文獻[5]指出，鑄孔銷子由于尺寸較長、冷卻困難，壓鑄過程中鑄孔附近容易形成縮孔，水壓試驗時容易漏氣。

表1 YZAlSi9Cu3鋁合金元素化學成分 單位：%

元素SiFeCuMnMgNiZnSnTiCrPbRe、B、Mo等Al 單個合計 參考值8.0～11.0≤1.32.0～4.0≤0.550.05～0.55≤0.55≤1.2≤0.15≤0.2≤0.15≤0.35≤0.05≤0.25余量

1.2 氣缸體力學性能分析

圖1 力學試樣提取位置

機油尺孔[6]（見圖2）附近的Al液在凝固過程中由于離模具型芯表面較遠、溫度較高，周邊金屬液已經(jīng)完全凝固，此厚壁處為孤立液相區(qū)，不能在鑄造增壓階段進行補縮，從而形成鑄件縮孔、縮松[7-8]。為了避免鑄件產(chǎn)生縮孔、縮松和裂紋等缺陷影響鑄件力學性能，本文主要采取了三項改善措施。

表2 力學性能測試結果

序號抗拉強度/MPa規(guī)定塑性屈服強度/MPa斷后延伸率/% 11591001.0 2185931.5 31401001.0 4155841.0 5164861.0 平均160.692.61.1

1）優(yōu)化工藝參數(shù)，尤其是高速壓射速度及起點位置、增壓壓力及留模時間等參數(shù)的合理性，保證Al液充填過程盡可能較少卷氣和增加凝固補縮能力；2）優(yōu)化模具澆注系統(tǒng)及冷卻系統(tǒng)，保證合理的Al液充填速度和順序，保證合理的模具溫度，盡可能減少熱節(jié)；3）增加熱處理工藝，將壓鑄件進行2 h×200 ℃和4 h×200 ℃熱處理，消除內(nèi)應力，使鑄件結構組織更加均勻[9]。

上述改善措施的Mg含量均保持在0.1%及以下，采取上述三項改善措施后，鑄件內(nèi)部無明顯的鎖孔、縮松和裂紋缺陷，切片式樣如圖2所示。進一步測試鑄件力學性能，平均抗拉強度為175.99 MPa、平均屈服強度為114.47 MPa，分別提升了9.6%和23.6%。結果表明，合理的壓鑄工藝改善可起到消除鑄件缺陷的作用，但是對于提升鑄件力學性能效果不明顯。根據(jù)文獻[6]采用擠壓工藝方法提升鑄件力學性能，抗拉強度和屈服強度均滿足要求，發(fā)動機漏氣問題也得到解決，然而采用擠壓工藝也受模具結構干涉和高壓下漏油問題的困擾，結合文獻[1,10-15]理論和經(jīng)驗，本文重點研究微量元素Mg含量對鑄件組織及力學性能的影響。

2 實驗方法

實驗鋁材牌號為YZAlSi9Cu3，合金成分標準如表1所示，微量元素Mg含量標準為0.05%～0.55%，范圍較寬。實驗采用井式坩堝電阻熔煉爐熔煉，每次熔煉1 000 kg，熔煉溫度為720±10 ℃。每爐進行3次打渣處理，除渣劑比例為0.3%～0.5%；在采用Cl2進行旋轉脫氣時再加入純Mg，調(diào)配各元素比例，通過光譜分析儀檢測合金成分，配置不同Mg含量的AlSi9Cu3合金，編號分別為No.1－No.5合金，Mg含量分別為0.10%、0.20%、0.30%、0.40%、0.50%，某次實測合金元素數(shù)據(jù)如表3所示。

表3 YZAlSi9Cu3合金主要元素比例 單位：%

編號MgSiFeCuMnMg NO.10.109.660.832.860.450.11 NO.20.209.680.862.820.420.21 NO.30.309.520.752.960.280.30 NO.40.409.750.852.750.380.41 NO.50.509.850.892.560.430.49

實驗采用東芝2800T冷室壓鑄機壓鑄，采用單一變量控制法，保證5組合金壓鑄工藝參數(shù)一致，主要壓鑄參數(shù)如表4所示。待模具溫度穩(wěn)定后，連續(xù)壓鑄20件，進行X射線探傷檢查穩(wěn)定后，再連續(xù)壓鑄20件。由于熱處理工藝前期已做，效果不佳，因此，實驗不再進行熱處理工藝，隨機選取10件壓鑄件，分別在圖2所示位置提取力學試樣，3個/件，每組共30個試樣，試樣尺寸如圖3所示，最后采用萬能拉伸機測試試樣的力學性能，并用GX51型金相顯微鏡觀察鑄件顯微組織形態(tài)。

表4 YZAlSi9Cu3合金壓鑄工藝參數(shù)

低速1低速2高速點/mm高速/(m?s-1)壓力轉換條件/bar快壓壓力/bar增壓壓力/bar留模時間/s料餅厚度/mm 位置/mm速度/(m?s-1)位置/mm速度/(m?s-1) 500.153000.203206.52001801601230

圖3 力學試樣尺寸

3 結果分析

3.1 Mg含量對YZAlSi9Cu3合金鑄件組織結構的影響分析

圖4為不同Mg含量的鑄態(tài)YZAlSi9Cu3鋁合金顯微組織，由圖可知，不同Mg含量的YZAlSi9 Cu3鋁合金顯微組織結構相差不大，主要由α-Al相、共晶Si相、渣相和其他共晶體構成，α-Al相呈棉花狀或蠕蟲狀或其他不規(guī)則行狀，分布均勻；共晶硅為點狀或樹枝狀，呈不規(guī)則分布；α-Al相與共晶相交錯分布，起到增加合金強度的作用。根據(jù)非平衡凝固原理，鋁合金在凝固過程中首先析出α-Al和α-Al+Si的二元共晶[11-15]，由于液相中Cu元素濃度的增加，與已析出的α-Al+Si二元共晶形成α-Al+Si+Al2Cu三元共晶結構。另外，F(xiàn)e作為鋁合金中固有雜質元素，部分Fe元素將形成α-Al+Si+FeSiAl5三元共晶或α-Al+Si+Al2Cu+ FeSiAl5四元共晶，而富余Fe將形成初生鐵相Fe2SiAl8，初生鐵相殘留在組織內(nèi)部，起到了割裂組織結構的作用，降低鑄件的強度和延伸率。研究表明，鋁合金中加入適量的Mg可以抑制Fe的有害作用。

改變Mg元素含量后，由圖4(b)－圖4(e)可知，隨著Mg元素的增加，樹枝狀的共晶Si逐漸增多，且枝條越長、支晶增加；當Mg含量大于0.3%時，α-Al相變得更加細小，分布區(qū)域均勻，與共晶Si錯落有致的分布。由文獻[9]可知，液相鋁合金在模具型腔凝固過程中，由于局部溫度不同和不平衡結晶規(guī)律的影響，組織中Mg2Si和α-Al相同時出現(xiàn)，凝固過程可表示為L→Mg2Si[16-17]+（Al+Mg2Si），初生Mg2Si則呈現(xiàn)出多種形貌：蜘蛛狀、樹枝狀、以及蠕蟲狀枝晶。過共晶Al-Mg2Si合金中含有少量過剩Si時，在其凝固后期還可能會發(fā)生三元共晶反應，其凝固過程可表示為L→ Mg2S+（Al+Mg2Si）+（Al+Mg2Si+Si）。由圖4(c)－圖4(e)可知，當Mg含量大于等于0.3%時，初生相Mg2S、共晶相Al+Mg2Si和過共晶相Al+ Mg2Si+Si更加細長，分布更廣，處于基體Al和共晶Si邊緣形成網(wǎng)狀結構，起到強化相的作用，但過多的Mg元素將不能全部溶入基體，產(chǎn)生較粗大的Mg2Si脆性相，造成應力集中，降低合金抗拉強度及硬度[13-14]。因此，可以控制YZAlSi9Cu3合金的Mg含量維持在0.3%～0.55%之間，產(chǎn)生適量的細長Mg2Si強化相從而提高鑄件的強度[11,14]。

3.2 Mg含量對YZAlSi9Cu3合金鑄件力學性能的影響分析

圖5為YZAlSi9Cu3壓鑄件的力學性能隨著Mg含量變化的曲線（圖中數(shù)據(jù)均為平均值），隨著Mg含量的增加，鑄件的抗拉強度和屈服強度呈上升趨勢。而斷后延伸率呈現(xiàn)波動狀態(tài)，但不同Mg含量的延伸率都滿足≧1%的要求。當Mg含量達到0.3%時，抗拉強度和屈服強度分別達到230.6 MPa和157.3 MPa，較Mg含量為0.1%時分別提升了71.2%和50.2%，且均達到了抗拉強度≥200 MPa、屈服強度≥140 MPa的強度要求。隨著Mg含量繼續(xù)增加，抗拉強度和屈服強度繼續(xù)增加，但根據(jù)文獻[1]的研究，當Mg含量大于1%時，鑄件的力學性能將會下降。

根據(jù)文獻[18]，在鋁合金中Si元素含量低于12%且Mg含量大于0.2%時，鋁合金中將產(chǎn)生Mg2Si相，該相為鋁合金中的強化相。由表3可知，本文研究的YZAlSi9Cu3合金中Si元素含量約為10%，Mg元素含量范圍約為0.1%～0.5%，滿足生成Mg2Si相的條件。結合圖4和圖5相關數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，當Mg含量低于0.3%時，基體Al晶粒較粗大，鋁液在凝固過程中初生Mg2S強化相和共晶相Al+Mg2Si以及過共晶相Al+Mg2Si+Si數(shù)量較少，隨機分布在基體Al周圍，對組織強化效果不明顯，對應屈服強度和抗拉強度值偏低；當Mg含量高于0.3%時，Mg2S的初相、共晶相和過共晶相生成量較多，大多呈樹枝狀和蜘蛛狀分布在Al基和共晶Si邊緣，增加組織結構的整體性，對應的屈服強度和抗拉強度值較高。隨著Mg含量的增加，YZAlSi9Cu3合金產(chǎn)生Mg2Si相，Mg2Si相強化了合金的抗拉強度與屈服強度，且對鑄件的延伸率影響較小。但是，根據(jù)文獻[12]，過多的Mg元素將不能全部溶入基體Al中，并產(chǎn)生較粗大的Mg2Si脆性相，降低合金抗拉強度及延伸率，因此工程應用時將Mg含量控制在0.3%～0.55%為宜，既保證Mg元素含量在標準范圍內(nèi)，也提高了鑄件的力學性能。

圖5 Mg含量對鑄態(tài)YZAlSi9Cu3合金力學性能的影響

4 結論

1）鋁液凝固時產(chǎn)生縮孔、縮松影響鑄件的氣密性，也影響鑄件的力學性能，通過調(diào)整工藝參數(shù)、優(yōu)化模具方案和采用熱處理工藝可以有效降低鑄件縮孔、縮松率，提高鑄件的氣密性，但對提高鑄件力學性能效果不明顯。

2）YZAlSi9Cu3合金的組織結構受Mg含量影響，在Mg含量0.05%～0.55%范圍內(nèi)，隨著Mg含量增加，初生相Mg2Si、共晶相Al+Mg2Si以及過共晶相Al+Mg2Si+Si逐漸增多，存在于共晶Si和基體Al的交界處，當Mg含量大于0.3%時，這種現(xiàn)象尤其明顯。

3）YZAlSi9Cu3合金的抗拉強度和屈服強度隨著Mg含量的增加呈上升趨勢，當Mg含量大于0.3%時，抗拉強度和屈服強度分別達到230.6 MPa和157.3 MPa，提升了43.6%和69.9%，且滿足該款發(fā)動機對鑄件的力學性能要求，實際工程應用中可以確定Mg含量為0.3%～0.55%。

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Influence of Trace Mg on the Microstructure and Mechanical Properties of Al-Si-Cu Alloy Castings

YANG Xingguo

( IntelligentManufacturing and Automotive Institute, Chongqing Technology and Business Institute, Chongqing 401520, China )

In view of the abnormal noise of the engine cylinder block caused by the mechanical properties of the engine, the paper took measures to optimize the process parameters, improve the mold casting system and increase the heat treatment process, and studied the effect of trace Mg elements on the organization and mechanical properties of cast Al-Si-Cu alloy.The results show that in the range of Mg content from 0.05% to 0.55%, the mechanical properties of the castings show an increasing trend with the increase of Mg content, and the strengthening phase Mg2Si, which exists in the junction of eutectic Si and matrix Al in the organization, gradually increases; when the Mg content is greater than 0.3%, the tensile strength and yield strength of the castings reach 230.6 MPa and 157.3 MPa, respectively, raising the Mg content can be determined to be 0.3%～0.55% in practical applications to ensure that the castings have stable mechanical properties and thus avoid inducing other mechanical failures.

Mg element;Al-Si-Cu alloy;Castings organization;Mechanical properties

TG249.2；TG146.21

A

1671-7988(2023)17-128-06

10.16638/j.cnki.1671-7988.2023.017.023

楊興國（1986－），男，博士，講師，研究方向為梯度納米結構材料設計與制備、金屬材料熱加工，E-mail: yanglixgy@163.com。

重慶市教育委員會科學技術研究項目（KJQN202004005）；重慶工商職業(yè)學院重點科研項目（NDZD2020-02）。