ADC12压铸铝合金成分优化的研究

朱锐祥，秦新宇,胡 南，陆良宇

合肥工业大学 材料科学与工程学院，安徽 合肥230009

ADC12铝合金压铸件因其成品率高、表面质量好、尺寸精度高、后续加工量少，十分适合大批量的生产.因此，普遍应用于汽车零部件的生产，如：活塞、缸体、缸盖、车轮及制动盘等零件，但由于铸造铝硅合金的强度韧性不高，致使其应用范围受到较大的限制[1-2].目前，在工业生产过程中，就发动机缸盖材料来看铝合金正在逐步替代灰铸铁或合金铸铁.由于发动机缸盖形状较为复杂，致使所使用的铝合金材料必须要有良好的机械性能和铸造性能[3].为了满足发动机缸盖对材料铸造性、强度、稳定性等方面的要求，本文在ADC12铝合金成分范围的基础上，通过对合金成分的优化设计来达到改善压铸铝合金综合力学性能的目的，为实际生产提供参考.

1 试验流程

1.1 试 样

试验材料为ADC12铝锭(成分列于表1)、Al-Cu中间合金、Al-Mn中间合金、Al-Mg中间合金和单晶硅，采用压铸工艺制备试棒.

表1 ADC12铝锭的化学成分

1.2 试验方案

试验主要分为三个部分：(1)根据表2列出的ADC12 铝合金成分的范围分别设计合金中Si，Cu，Mg，Mn 四种元素的含量，通过单因素试验得到合金中元素的最优含量.(2)在单因素试验的基础上，通过正交试验确定4种元素的最佳含量.(3)通过金相显微镜观察合金元素的加入对压铸铝合金组织影响的规律.试验流程如下图1所示.

表2 ADC12铝合金成分范围

图1 试验工艺流程图Fig.1 The experimental process flow chart

2 试验结果及讨论

2.1 单因素试验

进行单因素试验时，一种元素含量作为变量，其余三种元素含量保持不变.试验中各元素质量分数范围分别为10%～12%Si，1.5%～3.5%Cu，0.1%～0.3%Mg，0.1%～0.5%Mn.在ADC12铝合金成分范围内，采用单因素条件试验分别向合金中添加不同量的Si，Cu，Mg，Mn元素时，考查合金力学性能的变化情况.在4种元素质量分数为10%Si，1.5%Cu，0.1%Mg，0.1%Mn的条件下，分别进行Si，Cu，Mg，Mn添加量对铸态合金抗拉强度与延伸率影响的单因素试验，试验结果如图2～5所示.

图2 铸态下Si含量对合金力学性能的影响Fig.2 Effect of Si content on mechanical properties of alloy in cast state

由图2～5可知，随着Si和Cu质量分数的增加，合金的抗拉强度先增大后降低.当Si质量分数为11%时合金的力学性能最好，此时合金的抗拉强度达到248.6 MPa，延伸率为1.15%；当Cu质量分数为3%时，合金的抗拉强度与延伸率均达到最大，分别为276.7 MPa，2.36%.随着Mg和Mn质量分数的增加，合金的抗拉强度与延伸率增大.在Mg质量分数为0.3%时，合金的力学性能最优，合金的抗拉强度与延伸率分别为264.38 MPa，2.21%；当Mn质量分数为0.5%时，合金的抗拉强度与延伸率均达到最大，分别为259.92 MPa，1.93%.单因素试验时表明，Si，Cu，Mg，Mn四种元素的质量分数分别为11%，3%，0.3%，0.5%时，合金的综合力学性能最好.

2.2 正交试验

在单因素试验的基础上，选择四因素三水平，即L9(34)正交表，进行正交试验，主要元素的正交因素水平表列于表3，正交试验结果列于表4.

图3 铸态下Cu含量对合金力学性能的影响Fig.3 Effect of Cu content on mechanical properties of alloy in cast state

图4 铸态下Mg含量对合金力学性能的影响Fig.4 Effect of Mg content on mechanical properties of alloy in cast state

图5 铸态下Mn含量对合金力学性能的影响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 正交试验结果

续表4

合金主要元素含量对合金抗拉强度与延伸率的影响程度与极差的大小成正比.由表4可知，四种元素含量对合金抗拉强度及延伸率的影响顺序皆为：Mg>Mn>Cu>Si.(1)当合金中四种元素含量组合为A2B3C1D3，即Si，Cu，Mg，Mn四种元素的质量分数分别为11%，3.5%，0.2%，0.6%时，合金的抗拉强度达到最佳.考虑到ADC12铝合金成分范围要求w(Mn)≤0.5%，确定组合为A2B3C1D2，即合金中Si，Cu，Mg，Mn元素质量分数分别为11%，3.5%，0.2%，0.5%，此时合金的抗拉强度为289 MPa，延伸率为2.05%.(2)当四种元素含量组合为A2B2C3D3，即Si，Cu，Mg，Mn四种元素质量分数分别为11%，3.0%，0.4%，0.6%时，合金的延伸率达到最佳.考虑到Mn含量超出ADC12铝合金成分范围，确定合金延伸率最佳的成分含量为A2B2C3D2，此时合金的抗拉强度为267 MPa，延伸率为2.52%.经综合考虑，确定合金四种元素含量的最佳组合为A2B2C1D2，即w(Si)=11%，w(Cu)=3.0%，w(Mg)=0.2%，w(Mn)=0.5%，此时合金的抗拉强度为285 MPa，延伸率为2.23%.

3 金相组织观察及分析

3.1 Si含量对合金组织的影响

在Cu，Mg，Mn三种元素的质量分数分别为1.5%，0.1%，0.1%的条件下，铸态下不同Si含量的合金显微组织如图6所示.图6中灰色区域为富Fe 相，主要呈块状和条状，尺寸相对较大.黑色区域为共晶Si相，呈长针状和板条状，并都具有锋利的棱角.从图6(a)可看出，组织中白色的α-Al相枝晶较粗大、分布不均匀、排列交叉错乱、呈树枝状，在一定程度上还有偏析现象，这些现象都阻碍着合金综合力学性能的提高.随着硅含量的增加，晶粒逐渐细化，初晶硅的尺寸减小，并呈现细条状，树枝晶破碎呈短棒状，共晶Si相也得到较大程度的细化，金属流动性增大，铸造性能变好，有利于合金力学性能的提高[4-5]，如图6(b)所示.但从另一方面来说，Si元素的增加会降低Mn在Al中的溶解度，促进α相的生成，增大第二相金属化合物的尺寸，并使析出相粗化，不利于合金力学性能的提高.

图6 铸态下不同Si含量的合金显微组织(a)w(Si)=10%；(b)w(Si)=11%Fig.6 Optical microstructure of alloys with different Si content in cast state

3.2 Cu含量对合金组织的影响

合金中加入Cu元素后，Cu会以颗粒状化合物形式存在于铝基体之中或者固溶于铝基体，显著提高铝合金的强度和硬度，但会使铝合金的伸长率有所降低；Cu在Al-Si合金中会形成强化相 Al2Cu 及 Al4Mg6Cu4Si4，这两种强化相有助于提高合金的强度[6].在Si，Mg，Mn三种元素的质量分数分别为10%，0.1%，0.1%的条件下，铸态下不同Cu含量的合金显微组织如图7所示.由图7可知，随着Cu含量的增加，条片状Si相减少，细化程度得到明显改善，分布逐渐变得不均匀，大部分Si相呈现聚集倾向.

图7 铸态下不同Cu含量的合金显微组织(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含量对合金组织的影响

在Si，Cu，Mn三种元素的质量分数分别为10%，1.5%，0.1%的条件下，铸态下不同Mg含量的合金显微组织如图8所示.图8显示，当Mg含量增大时，Mg与Si在合金中会形成Mg2Si相，而Mg2Si的硬度与弹性模量比铝高，从而使合金的抗拉强度提高.然而当Mg含量过高时，由于形成的Mg2Si较多且与共晶Si相、Al2Cu相及 Al9Fe2Si2等相聚集在一起，形成较大的不规则块状物分布于α(Al)晶界，致使合金的抗拉强度降低[7].随着Mg含量的增加，白色块状物增加，树枝状共晶Si的面积逐渐缩小.图8(b)显示，当Mg质量分数达到0.3%时，基体Al与共晶Si的分布趋于有序，有助于细化共晶Si相，并克服共晶Si相的偏聚，形成的Mg2Si相多分布于共晶Si相与α(Al)的交界处.

图8 铸态下不同Mg含量的合金显微组织(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含量对合金组织的影响

研究表明[8]，Mn元素的增加可以改变铸态合金中Fe相的分布与形态，减小Fe元素对合金塑性的不利影响，同时能够细化晶粒、阻止晶粒长大和再结晶.在固溶过程中Mn会与基体形成Al6Mn相，这种相在合金中弥散分布，在合金发生塑性变形时，Al6Mn相会阻碍晶界的滑移，有助于提高合金的抗拉强度.

在Si，Cu，Mg三种元素的质量分数分别为10%，1.5%，0.1%的条件下，铸态下不同Mn含量的合金显微组织如图9所示.由图9可知，随着Mn含量的增加，合金组织中的枝晶变得粗大密集，形貌多为长片状和多角形块状，可以成为初生硅与共晶硅的形核核心，使硅相依附在复合相上生长.同时，共晶组织得到明显细化，由长针状变为细小的短棒状，减少了裂纹扩展的路径.

图9 铸态下不同Mn含量的合金显微组织(a)w(Mn)=0.1% ；(b)w(Mn)=0.5% Fig.9 Optical microstructure of alloys with different Mn content in cast state

4 结 论

在ADC12铝合金元素含量要求的范围内，随Si和Cu含量增加，合金的抗拉强度先增大后降低；随Mg和Mn含量增加，合金的抗拉强度与延伸率皆增大.四种元素含量对合金抗拉强度及延伸率的影响顺序皆为：Mg>Mn>Cu>Si.合金中4种元素的最优化含量为w(Si)=11%，w(Cu)=3.0%，w(Mg)=0.2%，w(Mn)=0.5%时，合金的力学性能最好，其抗拉强度为285 MPa，延伸率为2.23%.