微量Mg元素对Al-Si-Cu合金铸件组织及力学性能的影响

杨兴国

微量Mg元素对Al-Si-Cu合金铸件组织及力学性能的影响

杨兴国

（重庆工商职业学院 智能制造与汽车学院，重庆 401520）

针对发动机气缸体因力学性能差引起热机异响故障问题，文章结合优化调整工艺参数、改进模具浇注及冷却系统方案、增加热处理工艺等有效降低铸件缩孔、缩松率、提高铸件气密性的措施，重点研究了微量Mg元素对铸态Al-Si-Cu合金组织及力学性能的影响。结果表明，Mg在含量0.05%～0.55%范围内，随着Mg含量的增加，组织中存在于共晶Si和基体Al交界处的强化相Mg2Si逐渐增加；当Mg含量大于0.3%时，铸件的抗拉强度和屈服强度分别达到230.6 MPa和157.3 MPa，提升了43.6%和69.9%，实际应用中可以确定Mg含量为0.3%～0.55%，以确保铸件具有稳定的力学性能，避免诱发其他机械故障。

Mg元素；Al-Si-Cu合金；铸件组织；力学性能

压铸铝合金具有比较高的比强度、抗腐蚀性能、铸造性能及良好的导电导热性能，被广泛应用于汽车、家电及航空航天领域[1]。其中，汽车发动机气缸体工作条件为高温高压、耐腐蚀性以及承受周期性惯性力和惯性力矩，这就要求气缸体压铸件具有良好的力学性能。随着汽车轻量化进程的深入，压铸铝合金逐渐取代铸铁成为制造汽车发动机缸体及其他汽车零部件的主流材料，其中，Al-Si-Cu系合金由于收缩率低、流动性强和热裂倾向小，是压铸铝合金中用量较大的合金系列之一[2]。某款汽车发动机缸体在进行热区质保路试时出现热机启动异响故障，进行发动机漏气量检测，实测漏气量超过限值27.6%。通过分析发现，故障原因为发动机气缸体力学性能不稳定，工作时热膨胀量大，导致缸筒变形而漏气引起热机启动异响。已有研究表明Mg是Al-Si-Cu合金的主要强化元素，可与Si形成Mg2Si强化相，尤其是经热处理后形成大量的Mg2Si强化相，从而有效提高合金的性能[3]，同时，Mg还能抑制Fe相的有害作用。本文涉及的发动机气缸体采用的AlSi9 Cu3合金Mg含量为0.05%～0.55%，范围较宽。因此，微量元素Mg含量波动大可能是铸件力学性能不稳定的潜在因素。为此，本文通过改变铸态AlSi9Cu3合金中Mg含量研究其对合金显微组织及力学性能的影响，为提升铸件机械性能及稳定性提供借鉴。

1 气缸体结构及力学性能分析

1.1 气缸体结构分析

某4缸压铸铝合金汽车发动机缸体。铸件毛坯质量为12.6 kg，采用东芝2800T冷室压铸机压铸，铝合金牌号为YZAlSi9Cu3，化学成分如表1所示。气缸体平均壁厚14.7 mm，最大壁厚51.2 mm，属于壁厚较大的高压铸件，压铸时需重点控制缩孔、缩松缺陷。气缸体内设计有润滑油道、冷却水道、机油尺孔以及安装孔等，结构复杂，压铸时应防止销孔附近产生裂纹。气缸体轴承孔在发动机工作时承受活塞往复运动产生的惯性力和惯性力矩，要求铸件具有较高的力学性能。理论研究及实践工程经验表明，铸件壁厚较大、模温梯度大和Al液充型不良等易导致铸件缩孔、缩松缺陷。文献[4]指出，随着缩孔面积分数和平均尺寸的增大，铝合金铸件抗拉强度呈下降趋势；文献[5]指出，铸孔销子由于尺寸较长、冷却困难，压铸过程中铸孔附近容易形成缩孔，水压试验时容易漏气。

表1 YZAlSi9Cu3铝合金元素化学成分 单位：%

元素SiFeCuMnMgNiZnSnTiCrPbRe、B、Mo等Al 单个合计 参考值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 气缸体力学性能分析

图1 力学试样提取位置

机油尺孔[6]（见图2）附近的Al液在凝固过程中由于离模具型芯表面较远、温度较高，周边金属液已经完全凝固，此厚壁处为孤立液相区，不能在铸造增压阶段进行补缩，从而形成铸件缩孔、缩松[7-8]。为了避免铸件产生缩孔、缩松和裂纹等缺陷影响铸件力学性能，本文主要采取了三项改善措施。

表2 力学性能测试结果

序号抗拉强度/MPa规定塑性屈服强度/MPa断后延伸率/% 11591001.0 2185931.5 31401001.0 4155841.0 5164861.0 平均160.692.61.1

1）优化工艺参数，尤其是高速压射速度及起点位置、增压压力及留模时间等参数的合理性，保证Al液充填过程尽可能较少卷气和增加凝固补缩能力；2）优化模具浇注系统及冷却系统，保证合理的Al液充填速度和顺序，保证合理的模具温度，尽可能减少热节；3）增加热处理工艺，将压铸件进行2 h×200 ℃和4 h×200 ℃热处理，消除内应力，使铸件结构组织更加均匀[9]。

上述改善措施的Mg含量均保持在0.1%及以下，采取上述三项改善措施后，铸件内部无明显的锁孔、缩松和裂纹缺陷，切片式样如图2所示。进一步测试铸件力学性能，平均抗拉强度为175.99 MPa、平均屈服强度为114.47 MPa，分别提升了9.6%和23.6%。结果表明，合理的压铸工艺改善可起到消除铸件缺陷的作用，但是对于提升铸件力学性能效果不明显。根据文献[6]采用挤压工艺方法提升铸件力学性能，抗拉强度和屈服强度均满足要求，发动机漏气问题也得到解决，然而采用挤压工艺也受模具结构干涉和高压下漏油问题的困扰，结合文献[1,10-15]理论和经验，本文重点研究微量元素Mg含量对铸件组织及力学性能的影响。

2 实验方法

实验铝材牌号为YZAlSi9Cu3，合金成分标准如表1所示，微量元素Mg含量标准为0.05%～0.55%，范围较宽。实验采用井式坩埚电阻熔炼炉熔炼，每次熔炼1 000 kg，熔炼温度为720±10 ℃。每炉进行3次打渣处理，除渣剂比例为0.3%～0.5%；在采用Cl2进行旋转脱气时再加入纯Mg，调配各元素比例，通过光谱分析仪检测合金成分，配置不同Mg含量的AlSi9Cu3合金，编号分别为No.1－No.5合金，Mg含量分别为0.10%、0.20%、0.30%、0.40%、0.50%，某次实测合金元素数据如表3所示。

表3 YZAlSi9Cu3合金主要元素比例 单位：%

编号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

实验采用东芝2800T冷室压铸机压铸，采用单一变量控制法，保证5组合金压铸工艺参数一致，主要压铸参数如表4所示。待模具温度稳定后，连续压铸20件，进行X射线探伤检查稳定后，再连续压铸20件。由于热处理工艺前期已做，效果不佳，因此，实验不再进行热处理工艺，随机选取10件压铸件，分别在图2所示位置提取力学试样，3个/件，每组共30个试样，试样尺寸如图3所示，最后采用万能拉伸机测试试样的力学性能，并用GX51型金相显微镜观察铸件显微组织形态。

表4 YZAlSi9Cu3合金压铸工艺参数

低速1低速2高速点/mm高速/(m∙s-1)压力转换条件/bar快压压力/bar增压压力/bar留模时间/s料饼厚度/mm 位置/mm速度/(m∙s-1)位置/mm速度/(m∙s-1) 500.153000.203206.52001801601230

图3 力学试样尺寸

3 结果分析

3.1 Mg含量对YZAlSi9Cu3合金铸件组织结构的影响分析

图4为不同Mg含量的铸态YZAlSi9Cu3铝合金显微组织，由图可知，不同Mg含量的YZAlSi9 Cu3铝合金显微组织结构相差不大，主要由α-Al相、共晶Si相、渣相和其他共晶体构成，α-Al相呈棉花状或蠕虫状或其他不规则行状，分布均匀；共晶硅为点状或树枝状，呈不规则分布；α-Al相与共晶相交错分布，起到增加合金强度的作用。根据非平衡凝固原理，铝合金在凝固过程中首先析出α-Al和α-Al+Si的二元共晶[11-15]，由于液相中Cu元素浓度的增加，与已析出的α-Al+Si二元共晶形成α-Al+Si+Al2Cu三元共晶结构。另外，Fe作为铝合金中固有杂质元素，部分Fe元素将形成α-Al+Si+FeSiAl5三元共晶或α-Al+Si+Al2Cu+ FeSiAl5四元共晶，而富余Fe将形成初生铁相Fe2SiAl8，初生铁相残留在组织内部，起到了割裂组织结构的作用，降低铸件的强度和延伸率。研究表明，铝合金中加入适量的Mg可以抑制Fe的有害作用。

改变Mg元素含量后，由图4(b)－图4(e)可知，随着Mg元素的增加，树枝状的共晶Si逐渐增多，且枝条越长、支晶增加；当Mg含量大于0.3%时，α-Al相变得更加细小，分布区域均匀，与共晶Si错落有致的分布。由文献[9]可知，液相铝合金在模具型腔凝固过程中，由于局部温度不同和不平衡结晶规律的影响，组织中Mg2Si和α-Al相同时出现，凝固过程可表示为L→Mg2Si[16-17]+（Al+Mg2Si），初生Mg2Si则呈现出多种形貌：蜘蛛状、树枝状、以及蠕虫状枝晶。过共晶Al-Mg2Si合金中含有少量过剩Si时，在其凝固后期还可能会发生三元共晶反应，其凝固过程可表示为L→ Mg2S+（Al+Mg2Si）+（Al+Mg2Si+Si）。由图4(c)－图4(e)可知，当Mg含量大于等于0.3%时，初生相Mg2S、共晶相Al+Mg2Si和过共晶相Al+ Mg2Si+Si更加细长，分布更广，处于基体Al和共晶Si边缘形成网状结构，起到强化相的作用，但过多的Mg元素将不能全部溶入基体，产生较粗大的Mg2Si脆性相，造成应力集中，降低合金抗拉强度及硬度[13-14]。因此，可以控制YZAlSi9Cu3合金的Mg含量维持在0.3%～0.55%之间，产生适量的细长Mg2Si强化相从而提高铸件的强度[11,14]。

3.2 Mg含量对YZAlSi9Cu3合金铸件力学性能的影响分析

图5为YZAlSi9Cu3压铸件的力学性能随着Mg含量变化的曲线（图中数据均为平均值），随着Mg含量的增加，铸件的抗拉强度和屈服强度呈上升趋势。而断后延伸率呈现波动状态，但不同Mg含量的延伸率都满足≧1%的要求。当Mg含量达到0.3%时，抗拉强度和屈服强度分别达到230.6 MPa和157.3 MPa，较Mg含量为0.1%时分别提升了71.2%和50.2%，且均达到了抗拉强度≥200 MPa、屈服强度≥140 MPa的强度要求。随着Mg含量继续增加，抗拉强度和屈服强度继续增加，但根据文献[1]的研究，当Mg含量大于1%时，铸件的力学性能将会下降。

根据文献[18]，在铝合金中Si元素含量低于12%且Mg含量大于0.2%时，铝合金中将产生Mg2Si相，该相为铝合金中的强化相。由表3可知，本文研究的YZAlSi9Cu3合金中Si元素含量约为10%，Mg元素含量范围约为0.1%～0.5%，满足生成Mg2Si相的条件。结合图4和图5相关数据发现，当Mg含量低于0.3%时，基体Al晶粒较粗大，铝液在凝固过程中初生Mg2S强化相和共晶相Al+Mg2Si以及过共晶相Al+Mg2Si+Si数量较少，随机分布在基体Al周围，对组织强化效果不明显，对应屈服强度和抗拉强度值偏低；当Mg含量高于0.3%时，Mg2S的初相、共晶相和过共晶相生成量较多，大多呈树枝状和蜘蛛状分布在Al基和共晶Si边缘，增加组织结构的整体性，对应的屈服强度和抗拉强度值较高。随着Mg含量的增加，YZAlSi9Cu3合金产生Mg2Si相，Mg2Si相强化了合金的抗拉强度与屈服强度，且对铸件的延伸率影响较小。但是，根据文献[12]，过多的Mg元素将不能全部溶入基体Al中，并产生较粗大的Mg2Si脆性相，降低合金抗拉强度及延伸率，因此工程应用时将Mg含量控制在0.3%～0.55%为宜，既保证Mg元素含量在标准范围内，也提高了铸件的力学性能。

图5 Mg含量对铸态YZAlSi9Cu3合金力学性能的影响

4 结论

1）铝液凝固时产生缩孔、缩松影响铸件的气密性，也影响铸件的力学性能，通过调整工艺参数、优化模具方案和采用热处理工艺可以有效降低铸件缩孔、缩松率，提高铸件的气密性，但对提高铸件力学性能效果不明显。

2）YZAlSi9Cu3合金的组织结构受Mg含量影响，在Mg含量0.05%～0.55%范围内，随着Mg含量增加，初生相Mg2Si、共晶相Al+Mg2Si以及过共晶相Al+Mg2Si+Si逐渐增多，存在于共晶Si和基体Al的交界处，当Mg含量大于0.3%时，这种现象尤其明显。

3）YZAlSi9Cu3合金的抗拉强度和屈服强度随着Mg含量的增加呈上升趋势，当Mg含量大于0.3%时，抗拉强度和屈服强度分别达到230.6 MPa和157.3 MPa，提升了43.6%和69.9%，且满足该款发动机对铸件的力学性能要求，实际工程应用中可以确定Mg含量为0.3%～0.55%。

[1] 石锦罡,姚辉,陈明海,等.Mg含量对ADC12铝合金组织及性能的影响[J].热处理,2011,26(4): 48-52.

[2] 杨兴国.高锌压铸ADC12ZS合金性能的研究[J].特种铸造及有色合金,2019,39(1):38-41.

[3] RANA G,ZHOU J E,WANG Q G.Precipitates and Tensile Fracture Mechanism in a Sand Cast A356 Aluminum Alloy[J].Journal of Materials Processing Technology,2008,207(1-3):46-52.

[4] 闫焉服,熊守美.压铸工艺参数对ADC12Z压铸件孔洞和抗拉强度的影响[J].稀有金属材料与工程,2010, 39(S1):219-222.

[5] 杨兴国.铝合金压铸件内部缩孔分析及对策[J].特种铸造及有色合金,2018,38(10):1079-1081.

[6] 杨兴国,杨诚,王茂辉.压铸工艺对AlSi9Cu3铸件力学性能的影响[J].铸造,2022,71(6):705-708.

[7] 黄志恒,张玉龙,赵玉红,等.局部加压技术在解决压铸件漏气问题上的应用[J].特种铸造及有色合金, 2019,39(7):742-744.

[8] 魏显坤,杨兴国.铝合金曲轴箱压铸件缩孔分析及对策[J].特种铸造及有色合金,2019,39(2):149-151.

[9] 刘光磊,张令喻,李茂军,等.热处理对Al-Si-Cu合金力学性能、显微组织与磨损性能的影响[J].摩擦学学报,2017,37(5):618-624.

[10] 李冲.铝合金中Mg2Si相演变行为及析出长大机制的研究[D].济南:山东大学,2012.

[11] 陈大辉,黄文淑,汤进军,等.Cu、Mg对Al-Si-Cu-Mg合金力学性能的影响[J].特种铸造机有色合金,2011, 31(4):367-368,398.

[12] 李天生,徐慧,张洪.Mg、Cu和Zn含量对液态模锻铝合金力学性能的影响[J].热加工工艺,2009,38(23): 145-147.

[13] 陈思君,陈送义,陈庚,等.Mg含量对2A14铝合金组织和力学性能的影响[J].金属热处理,2022,47(4):86-92.

[14] 张素芬.Mg含量对汽车发动机缸体用Al-Si-Cu合金微观组织和力学性能的影响[J].铸造技术,2016,37 (7):1329-1332.

[15] 唐玲,夏鹏举,李文虎.Si、Mg添加量对Al-Mg-Si合金的显微组织和Mg2Si相形貌的影响[J].有色金属工程,2022,12(2):24-30.

[16] 余志强,谢泉,肖清泉,等.Mg2Si晶体结构及消光特性的研究[J].物理学报,2009,58(10):6889-6893.

[17] 梁敏洁,姚宝星,廖海洪,等.压力下Mg2Ca、Al2Ca和Mg2Si相稳定性的第一性原理研究[J].热加工工艺,2023,52(10):25-28,34.

[18] 黄晓锋,冯凯,谢锐.Mg及Mn元素对Al-Si合金显微组织和力学性能的影响[J].中国有色金属学报,2012, 22(8):2196-2204.

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

杨兴国（1986－），男，博士，讲师，研究方向为梯度纳米结构材料设计与制备、金属材料热加工，E-mail: yanglixgy@163.com。

重庆市教育委员会科学技术研究项目（KJQN202004005）；重庆工商职业学院重点科研项目（NDZD2020-02）。