高強(qiáng)韌鋁合金AlSi10MnMg實(shí)現(xiàn)不同壓鑄力學(xué)性能的研究

AlSi10MnMg是歐盟的一個(gè)鋁合金牌號(hào)，又名EN AC—43500，源出于德國(guó)萊恩鋁業(yè)公司的Silafont—36。該牌號(hào)鋁合金的Si含量略低于AlSi共晶合金，具有較好的流動(dòng)性。Fe含量小于0.15%，使AlFeSi相的板塊狀得以消除，使壓鑄件在受力狀態(tài)下不產(chǎn)生裂紋。一定的Mn含量也可防止壓鑄時(shí)合金的粘?，F(xiàn)象，而在組織上呈現(xiàn)球狀相。因此，該鋁合金屬于高強(qiáng)韌鋁合金的一種，在以鋁代鋼方面廣泛應(yīng)用于結(jié)構(gòu)件，尤其是汽車結(jié)構(gòu)件。根據(jù)德國(guó)萊恩鋁業(yè)公司的文獻(xiàn)資料，其標(biāo)準(zhǔn)成分內(nèi)不同控制范圍和不同熱處理工藝以及不同生產(chǎn)條件的差異，可以得出比較寬的不同的壓鑄力學(xué)性能。為了能尋找出準(zhǔn)確定位于性能的對(duì)應(yīng)工藝，實(shí)現(xiàn)以性能為結(jié)果反推成分控制范圍和熱處理工藝選取這一目標(biāo)，我們進(jìn)行了大量的實(shí)驗(yàn)和研究。其中以Mg的不同含量以及分別對(duì)不同熱處理狀態(tài)的正交試驗(yàn)為突破口，有針對(duì)性地應(yīng)用于不同性能要求的鋁合金結(jié)構(gòu)件中。本文主要基于實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析研究，其中的伸長(zhǎng)率均為斷后實(shí)測(cè)伸長(zhǎng)率，若以引伸計(jì)計(jì)算則伸長(zhǎng)率數(shù)值更高。

1.不同Mg含量對(duì)壓鑄力學(xué)性能的影響

該鋁合金牌號(hào)在歐盟標(biāo)準(zhǔn)中屬于AlSi10Mg組別，Mg是主要的熱處理強(qiáng)化元素。它的標(biāo)準(zhǔn)含量從0.1—0.5%，范圍比較寬。這對(duì)于追求強(qiáng)韌性能，尤其是強(qiáng)度和伸長(zhǎng)率的性能組合，給了我們一個(gè)很好的用于調(diào)整的范圍。

根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析，隨Mg含量的變化所呈現(xiàn)的一般規(guī)律是：Mg含量與抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度呈正相關(guān)，與伸長(zhǎng)率呈負(fù)相關(guān)。表1是壓鑄件在F態(tài)下的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

表1：壓鑄F態(tài)Mg含量與主要力學(xué)性能（均值）

其變化趨勢(shì)如圖1所示。

圖1 壓鑄F態(tài)Mg含量與主要力學(xué)性能變化趨勢(shì)

在熱處理狀態(tài)下，Mg含量對(duì)壓鑄力學(xué)性能也有著不同的影響，表2 是壓鑄件在T6－9狀態(tài)下的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

其變化趨勢(shì)如圖2所示。

表2：壓鑄件T6－9狀態(tài)Mg含量與主要力學(xué)性能（均值）

圖2 壓鑄件在T6－9狀態(tài)下Mg含量與主要力學(xué)性能變化趨勢(shì)

2.不同熱處理狀態(tài)對(duì)壓鑄力學(xué)性能的影響

德國(guó)萊恩鋁業(yè)公司給出的熱處理工藝是一個(gè)比較寬的范圍，具體應(yīng)用時(shí)還要根據(jù)實(shí)際情況來(lái)選取和調(diào)整。根據(jù)Mg含量對(duì)壓鑄力學(xué)性能的影響程度，我們將Mg含量分為了H、A、B、C四段來(lái)進(jìn)行各種熱處理狀態(tài)的實(shí)驗(yàn)。其中的試樣成形方式是普通壓鑄成形，若采用真空壓鑄成形，性能將會(huì)更優(yōu)。

2.1 T6熱處理

T6熱處理可以獲得最高的強(qiáng)度和比較理想的伸長(zhǎng)率性能。對(duì)不同Mg含量分段的試樣分別進(jìn)行T6熱處理，并通過(guò)對(duì)固溶溫度（480—490℃）、保溫時(shí)間（2—5h）、時(shí)效溫度（155—170℃）、時(shí)效保溫時(shí)間（2—5h）等四個(gè)因素進(jìn)行了正交試驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)中除了可尋找出優(yōu)選該段的熱處理工藝外，還得到了該段范圍內(nèi)不同強(qiáng)韌性能指標(biāo)的各種組合方案。

A段T6后的性能范圍見(jiàn)表3。

該段其中的幾個(gè)組合性能實(shí)驗(yàn)指標(biāo)數(shù)據(jù)如表4。

B段T6后的性能范圍見(jiàn)表5。

該段其中的幾個(gè)組合性能實(shí)驗(yàn)指標(biāo)數(shù)據(jù)如表6。

表3：A段的T6壓鑄力學(xué)性能范圍

表4：A段壓鑄試樣T6其中幾組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)（均值）

表5：B段的T6壓鑄力學(xué)性能范圍

表6：B段壓鑄試樣T6其中幾組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)（均值）

C段T6后的性能范圍見(jiàn)表7。

表7：C段的T6壓鑄力學(xué)性能范圍

該段其中的幾個(gè)組合性能實(shí)驗(yàn)指標(biāo)數(shù)據(jù)如表8。

表8：C段壓鑄試樣T6其中幾組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)（均值）

同理，實(shí)驗(yàn)得出特殊段H段T6后的性能范圍（略）。

綜上實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，四個(gè)Mg含量分段T6后的性能分布范圍如圖3所示。

2.2 T7熱處理

圖3 不同Mg含量分段的壓鑄試樣T6后力學(xué)性能分布范圍

T7熱處理工藝經(jīng)固溶后通過(guò)過(guò)時(shí)效實(shí)現(xiàn)，可以最大限度地獲得較高的伸長(zhǎng)率性能。同樣，對(duì)不同Mg含量分段的試樣分別進(jìn)行T7熱處理，并通過(guò)對(duì)固溶溫度（470—490℃）、保溫時(shí)間（1—5h）、時(shí)效溫度（190—230℃）、時(shí)效保溫時(shí)間（1—3h）等四個(gè)因素進(jìn)行了正交試驗(yàn)。尋找出各段的優(yōu)選熱處理工藝，并得到了各段范圍不同強(qiáng)韌性能指標(biāo)的各種組合方案。具體實(shí)驗(yàn)分析方法與T6類似（略）。四個(gè)Mg含量分段T 7后的性能范圍如圖4所示。

圖4 不同Mg含量分段的壓鑄試樣T7后力學(xué)性能分布范圍

2.3 T5 熱處理

T5熱處理的作用是提高強(qiáng)度，對(duì)比壓鑄F態(tài)適當(dāng)?shù)亟档土松扉L(zhǎng)率。對(duì)不同段的Mg含量分別采用多種時(shí)效工藝進(jìn)行實(shí)驗(yàn)探索，得出如下的結(jié)果：

2.3.1 相同時(shí)效溫度，隨時(shí)效時(shí)間的延長(zhǎng)抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度、伸長(zhǎng)率升高。例如，當(dāng)時(shí)效溫度為185℃時(shí)，時(shí)效時(shí)間對(duì)性能的影響詳見(jiàn)圖5、圖6、圖7、圖8。

2.3.2 相同時(shí)效時(shí)間，隨時(shí)效溫度的升高，抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度升高，而伸長(zhǎng)率降低。時(shí)效溫度對(duì)性能的影響詳見(jiàn)圖9、圖10、圖11、圖12。

2.3.3 相同時(shí)效工藝，隨Mg含量的升高，抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度升高，而伸長(zhǎng)率降低。如當(dāng)采用T 5—8工藝時(shí)，不同Mg含量范圍的壓鑄力學(xué)性能詳見(jiàn)表10和圖13。

圖5 A段185℃時(shí)效溫度，時(shí)效時(shí)間對(duì)壓鑄力學(xué)性能的影響

圖6 B段185℃時(shí)效溫度，時(shí)效時(shí)間對(duì)壓鑄力學(xué)性能的影響

圖7 C段185℃時(shí)效溫度，時(shí)效時(shí)間對(duì)壓鑄力學(xué)性能的影響

圖8 H段185℃時(shí)效溫度，時(shí)效時(shí)間對(duì)壓鑄力學(xué)性能的影響

圖9 A段3.5h時(shí)效時(shí)間，時(shí)效溫度對(duì)壓鑄力學(xué)性能的影響

圖10 B段2.5h時(shí)效時(shí)間，時(shí)效溫度對(duì)壓鑄力學(xué)性能的影響

圖11 C段2.5h時(shí)效時(shí)間，時(shí)效溫度對(duì)壓鑄力學(xué)性能的影響

圖12 H段4.5h時(shí)效時(shí)間，時(shí)效溫度對(duì)壓鑄力學(xué)性能的影響

表10：T5—8工藝狀態(tài)下不同段的壓鑄力學(xué)性能（均值）

圖13 T5—8狀態(tài)下Mg含量對(duì)壓鑄力學(xué)性能的影響

2.4 各段Mg含量不同熱處理狀態(tài)壓鑄主要力學(xué)性能的應(yīng)用

采用同樣方法，對(duì)普通壓鑄試樣還進(jìn)行了不同含Mg段的T 4狀態(tài)和O退火態(tài)對(duì)性能影響的實(shí)驗(yàn)和分析研究。

各種狀態(tài)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果歸納如表9。

表9：各種熱處理狀態(tài)不同含Mg段壓鑄主要力學(xué)性能范圍實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

在各種熱處理狀態(tài)下，表9的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與德國(guó)萊恩鋁業(yè)公司的數(shù)據(jù)對(duì)比，適應(yīng)性能的指標(biāo)范圍更寬，而在應(yīng)用時(shí)選取性能的具體工藝控制范圍更窄、更易于準(zhǔn)確定位。

如德國(guó)大眾汽車有一款部件的性能要求抗拉強(qiáng)度≥300 MPa，屈服強(qiáng)度≥250 MPa，伸長(zhǎng)率≥7%，在本司生產(chǎn)的AlSi10MnMg材料中有具體對(duì)應(yīng)的T 6方案可選擇實(shí)現(xiàn)。

又如某副車架的性能要求抗拉強(qiáng)度≥290 MPa，屈服強(qiáng)度≥210 MPa，伸長(zhǎng)率≥5%，在T 5和T 6中都有具體對(duì)應(yīng)的方案可供選取實(shí)現(xiàn)。本司生產(chǎn)的AlSi10MnMg材料在壓鑄副車架經(jīng)T 5熱處理后的本體上取樣測(cè)試，驗(yàn)證通過(guò)了該性能指標(biāo)。

再如汽車減震塔的性能要求抗拉強(qiáng)度≥200 MPa，屈服強(qiáng)度≥140 MPa，伸長(zhǎng)率≥10%，有相應(yīng)的T6、T7幾組方案可以實(shí)現(xiàn)。

只要用戶給出應(yīng)用該鋁合金牌號(hào)的性能要求，就可以選擇對(duì)應(yīng)的成分范圍和生產(chǎn)工藝來(lái)控制生產(chǎn)，并在提供鋁合金材料的同時(shí)，提供對(duì)應(yīng)的壓鑄件熱處理工藝方案。當(dāng)同時(shí)存在兩種以上實(shí)現(xiàn)方案時(shí)還可提供經(jīng)濟(jì)選取。

3.結(jié)論

3.1 AlSi10MnMg鋁合金材料，隨Mg含量的升高，抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度升高，伸長(zhǎng)率降低。反之亦然。

3.2 不同熱處理狀態(tài)或同一熱處理狀態(tài)不同工藝參數(shù)對(duì)壓鑄力學(xué)性能有不同的影響。

3.3 對(duì)于不同Mg含量和不同的熱處理工藝，結(jié)合生產(chǎn)熔煉工藝可獲得細(xì)分后的不同性能的具體控制方案。有利于根據(jù)高強(qiáng)韌結(jié)構(gòu)件的不同性能要求來(lái)選擇該牌號(hào)鋁合金對(duì)應(yīng)的熔煉生產(chǎn)和熱處理的工藝方案。

3.4 細(xì)分后的控制方案，當(dāng)存在有多組方案可滿足同一性能指標(biāo)要求時(shí)，還有利于考慮成本的因素進(jìn)行經(jīng)濟(jì)選取。