自然时效新型压铸铝合金AlSi9Cu3Zn3的研究

曾 鹰

（中国汽车工程研究院，重庆 401122）

在汽车气制动阀阀体及活塞、变速器换挡阀阀体、离合器助力器壳体等零部件中的铝合金压铸件，其材料通常采用 ALSi12Cu1、YL104、YL112、ADC12等牌号铝合金[1-4]。这些汽车零部件产品尺寸不大，但要求较高：一是阀体在0.8～1.2 MPa气压下，不能有渗漏，这就要求阀体金属组织致密；二是密封面表面粗糙度要求较高（0.4～0.8 μm），这就要求阀体铸件硬度高、机床转速高、加工刀具设计科学合理；三是阀体一般壁厚为4～8 mm，属薄壁件，加工后不能有变形，这就要求阀体材料综合力学性能好，铸件需经人工时效处理或在空气中放置较长时间（估计3个月以上），夹具设计要科学合理；四是无论是静密封还是动密封面，加工以后都不能有气孔、缩孔等铸造缺陷，这就要求压铸模设计和压铸工艺参数设置合理。从阀体类产品以上几项特性要求来看，当前的压铸、机加工技术以及采用人工时效后的YL112等牌号铝合金基本能满足产品要求。

“十二五规划”开始，国家对高燃耗的铸造行业提出了更严格的“节能减排”要求。如何降低单位压铸件燃耗，已成为企业和技术人员的重要课题。取消“人工时效”是压铸生产中“节能减排”的重要措施之一。本文选用对铝基体有强化、晶粒细化、减少结晶应力等功能的金属元素，采用恰如其分的质量百分数与铝组合，并经多次试验调整，最后研制出了一种既能满足阀类产品要求，又不需要人工时效处理的新型铝合金材料“AlSi9Cu3Zn3”。该材料具有材质致密度高、综合力学性能好、生产工艺性优、压铸件不需人工时效，铸件放在空气中36 h之内就能达到金属组织稳定等特点。经测试，每吨压铸件能节省550～600度电，对节能、降成本等都有着十分重要的社会意义和经济意义。

1新材料设计思想及合金元素在铝基体中的作用

研制出的新型铝合金归纳起来应具有三大特性：一是自身力学性能和致密度好，能满足产品要求；二是压铸性能和加工性能好，能满足工艺要求；三是铸件出模后放置较短时间能完全释放结晶应力，金属组织稳定。

根据以上三大特性，新型铝合金必须是以铝为基体的多种金属元素参与作用的一种合金。也就是说，不仅要有对铝基体有强化作用的元素，还要有细化晶粒的元素、增加合金液流动性的元素和改善加工切削性能的元素，而且必须要有一种重要金属元素，能够减少合金液相膨胀和体收缩，抑制其它物相生长，消除或缓解凝固收缩应力并稳定金相组织。新型铝合金正是根据这些思路而研制出来的。

1.1 硅（Si）

Si是该合金的主要成分，其作用是改善压铸铝合金的流动性，在AlSi合金共晶点时，铝合金流动性最好，同时硅的凝固潜热更高，也提高了铝合金的流动性。在亚共晶和共晶铝硅合金中，细小的共晶硅相对铝合金基体有显著的强化作用。Si的线膨胀系数比Al小得多（约1/3～1/4），所以，铝硅合金体收缩率更小，具有极好的抗热裂性能[5]。拟取Si含量为8.0%～11.0%。

1.2 铜（Cu）

Cu也是该合金的主要成分，它对Al基体有显著的强化作用，能提高合金抗拉强度、硬度和高温蠕变性能，也能很好地提高合金流动性（压铸性能好）、加工切削性能（很好的表面粗糙度）和组织致密度（防渗漏好）。

但Cu在铝α-固溶体的固溶度较小，未固溶部分以颗粒状化合物存在，产生凝固应力。同时，Cu的化学电位高于Al，易产生晶间腐蚀和腐蚀应力[6]，因此，Cu元素的质量分数必须控制在较合适的范围，拟取Cu质量分数为2.5%～3.5%。

1.3 镁（Mg）

Mg有良好的细化晶粒作用，可以有效提高合金致密度、硬度和切削性能，不仅能获得较好的气密性，还可以减少刀具磨损，提高加工表面粗糙度[5，7]。

在500～530℃温度区间内，Mg在铝α-固溶体的溶解度一般为0.3%～0.4%。为了避免Mg的析出，拟取Mg质量分数为0.25%～0.35%。

1.4 锰（Mn）

Mn的作用主要是消除炉料中铁元素对合金的危害。锰在铝-硅合金中形成Al10Mn2、Al8Mn相，AlSi合金中形成的Al9Fe2Si2相中的Fe将会分离出来，溶解于Al10Mn2、Al8Mn相，从而消除铁的有害作用。

Mn的加入量是根据炉料、炉衬的含Fe量来决定的。当Fe的含量超过0.4%时，Mn的加入量为Fe含量的50%。文中试验采用中频无芯感应电炉，其炉衬为耐火材料，保温采用电阻坩埚炉，因此Fe元素主要来自炉料。经检测，各种炉料Fe质量总分数在0.6%左右[5]，因此，拟取Mn质量分数为0.2%～0.4%。

1.5 锌（Zn）

Zn是本研制合金拟加入的一种特殊成分。它的加入主要使合金减少体膨胀和体收缩，抑制各种化合物相的生长，稳定金相组织，同时使凝固后的合金在常温下较短时间内能释放出凝固收缩应力。Zn与前面拟加的Cu、Mg一同加入，对热处理和自然时效有良好的效果[5]。拟取Zn质量分数为2.0%～4.0%。

1.6 杂质对合金性能的影响

Fe在任何一种铝合金中都是有害元素。它使合金降低力学性能，特别是延伸率，同时使合金产生组织疏松和热裂倾向，因此必须稳定炉料来源。随着炉料中含铁量的变化，应适当调整Mn的加入量，消除Fe的有害作用。Fe的含量应控制在1.0%以下。Sn降低合金抗拉强度、硬度和耐蚀性，必须严格控制。Sn 的含量应控制在0.05%以下。

2 试验方法

2.1 合金熔炼试验

按《压铸铝合金AlSi9Cu3Zn3熔化工艺》要求，对回炉料、各种原材料分别过称配料。将回炉料、Al、Si、Cu、Zn、Mn单金属元素依次加入IGBT无芯中频感应电炉（800 kg）中直接熔化，然后合金熔体在710～750℃下静置15 min，再加入炉料Mg并进行充分搅拌，最后加入精炼剂用氮气搅拌除气打渣。实际生产中作了两项调整：一是由于金属硅块加入量太多，大大加长了熔化时间，Si的质量分数由8.0%～11.0%修改为8.0～10.0%；二是由于回炉料Mg的成分有波动，为了避免Mg超出0.4%而析出，Mg质量分数由0.25～0.35%修改为0.15%～0.3%。其它拟加元素质量分数不变，产品最终成分见表1。

表1 AlSi9Cu3Zn3新型铝合金化学成分

2.2 压铸生产试验

将制备好的铝合金熔体转入电阻坩埚保温炉中，用低温打渣剂进行再次除气打渣处理，然后压铸（生产）产品。压铸产品为空干器壳体：铸件重 1.15 kg，带浇注溢流系统总重2.06 kg，铸件一般壁厚6 mm，局部最小壁厚4 mm，最大壁厚12.5 mm。技术要求：加工面不能有气孔、缩孔等铸造缺陷，在1.2 MPa气压下，不能有渗漏。采用DCC500压铸机进行压铸生产试验，合金浇注温度为660～680℃，一快压射速度为0～10 m/s，二快压射速度为35 m/s，二快压射行程60 mm。每批次生产空气干燥器约250件（模）。

2.3 自然时效试验

（1）试棒的自然时效试验：分成出模后4 h、12 h、20 h、28 h、36 h、48 h，6个时段分别进行力学性能试验和金相试验。

（2）产品的自然时效试验：出模后分成24 h、36 h、48 h三个时段进行切削性能试验。

（3）加工后产品圆柱度试验：对上述切削性能试验产品进行圆柱度检测。

3 试验结果与分析

通过试验现场的观察发现，新型铝合金压铸成型性能更好，铸件和浇口断面金属晶粒更为均匀和细小，优于YL112铝合金。重复试验6次，结果趋于一致。

图1为不同自然时效时间的铝合金金相照片，由图可知，共晶硅在自然时效为4 h的时候，其尺寸粗大且分布不均，破坏了基体组织的连续性，从而对材料力学性能产生不良影响。随着时效时间的增加，共晶硅明显向粒状转变，尺寸明显减小，且呈均匀分布，当自然时效为36 h时，共晶硅相尺寸在50 μm以下。

图1 不同自然失效后材料的金相照片

表2为试样在不同自然时效时间的力学性能。在自然时效36 h内，抗拉强度增幅较大，由245 MPa增加至325 MPa。由36 h提高到48 h，力学性能变化不明显，因此自然时效的最佳时间为36 h。延伸率和布氏硬度均随着自然时效的增加，分别呈降低和增加的趋势。

表2 试样自然时效各时段测得的力学性能 （均值）

表3为产品的自然切削性能试验结果，自然时效36 h后，产品的切削性能很好，其表面粗糙度为0.4 μm，性能均优于YL112铝合金。

表3 产品自然时效切削性能试验

表4为产品圆柱度检测结果，对3件自然时效36 h及以上的产品进行圆柱度检测，其结果分别为φ0.020～φ0.025，均符合产品φ0.02～φ0.05的要求。

表4 加工后产品圆柱度检测

4 结论

本文研制了一种新型自然快速去应力压铸铝合金材料——AlSi9Cu3Zn3，省去了人工时效处理工艺环节，在满足阀类产品要求的同时，新型材料具有组织致密、综合力学性能好、生产工艺性好、产品性能稳定等特点。压铸后自然时效36 h，其抗拉强度为325 MPa，延伸率为3.5%，HBS硬度为96.3，表面粗糙度为0.4 μm，其圆柱度检测结果为φ0.020～φ0.025，满足产品精度要求，部分性能优于YL112铝合金。