自然時效新型壓鑄鋁合金AlSi9Cu3Zn3的研究

曾 鷹

（中國汽車工程研究院，重慶 401122）

在汽車氣制動閥閥體及活塞、變速器換擋閥閥體、離合器助力器殼體等零部件中的鋁合金壓鑄件，其材料通常采用 ALSi12Cu1、YL104、YL112、ADC12等牌號鋁合金[1-4]。這些汽車零部件產品尺寸不大，但要求較高：一是閥體在0.8～1.2 MPa氣壓下，不能有滲漏，這就要求閥體金屬組織致密；二是密封面表面粗糙度要求較高（0.4～0.8 μm），這就要求閥體鑄件硬度高、機床轉速高、加工刀具設計科學合理；三是閥體一般壁厚為4～8 mm，屬薄壁件，加工后不能有變形，這就要求閥體材料綜合力學性能好，鑄件需經人工時效處理或在空氣中放置較長時間（估計3個月以上），夾具設計要科學合理；四是無論是靜密封還是動密封面，加工以后都不能有氣孔、縮孔等鑄造缺陷，這就要求壓鑄模設計和壓鑄工藝參數設置合理。從閥體類產品以上幾項特性要求來看，當前的壓鑄、機加工技術以及采用人工時效后的YL112等牌號鋁合金基本能滿足產品要求。

“十二五規劃”開始，國家對高燃耗的鑄造行業提出了更嚴格的“節能減排”要求。如何降低單位壓鑄件燃耗，已成為企業和技術人員的重要課題。取消“人工時效”是壓鑄生產中“節能減排”的重要措施之一。本文選用對鋁基體有強化、晶粒細化、減少結晶應力等功能的金屬元素，采用恰如其分的質量百分數與鋁組合，并經多次試驗調整，最后研制出了一種既能滿足閥類產品要求，又不需要人工時效處理的新型鋁合金材料“AlSi9Cu3Zn3”。該材料具有材質致密度高、綜合力學性能好、生產工藝性優、壓鑄件不需人工時效，鑄件放在空氣中36 h之內就能達到金屬組織穩定等特點。經測試，每噸壓鑄件能節省550～600度電，對節能、降成本等都有著十分重要的社會意義和經濟意義。

1新材料設計思想及合金元素在鋁基體中的作用

研制出的新型鋁合金歸納起來應具有三大特性：一是自身力學性能和致密度好，能滿足產品要求；二是壓鑄性能和加工性能好，能滿足工藝要求；三是鑄件出模后放置較短時間能完全釋放結晶應力，金屬組織穩定。

根據以上三大特性，新型鋁合金必須是以鋁為基體的多種金屬元素參與作用的一種合金。也就是說，不僅要有對鋁基體有強化作用的元素，還要有細化晶粒的元素、增加合金液流動性的元素和改善加工切削性能的元素，而且必須要有一種重要金屬元素，能夠減少合金液相膨脹和體收縮，抑制其它物相生長，消除或緩解凝固收縮應力并穩定金相組織。新型鋁合金正是根據這些思路而研制出來的。

1.1 硅（Si）

Si是該合金的主要成分，其作用是改善壓鑄鋁合金的流動性，在AlSi合金共晶點時，鋁合金流動性最好，同時硅的凝固潛熱更高，也提高了鋁合金的流動性。在亞共晶和共晶鋁硅合金中，細小的共晶硅相對鋁合金基體有顯著的強化作用。Si的線膨脹系數比Al小得多（約1/3～1/4），所以，鋁硅合金體收縮率更小，具有極好的抗熱裂性能[5]。擬取Si含量為8.0%～11.0%。

1.2 銅（Cu）

Cu也是該合金的主要成分，它對Al基體有顯著的強化作用，能提高合金抗拉強度、硬度和高溫蠕變性能，也能很好地提高合金流動性（壓鑄性能好）、加工切削性能（很好的表面粗糙度）和組織致密度（防滲漏好）。

但Cu在鋁α-固溶體的固溶度較小，未固溶部分以顆粒狀化合物存在，產生凝固應力。同時，Cu的化學電位高于Al，易產生晶間腐蝕和腐蝕應力[6]，因此，Cu元素的質量分數必須控制在較合適的范圍，擬取Cu質量分數為2.5%～3.5%。

1.3 鎂（Mg）

Mg有良好的細化晶粒作用，可以有效提高合金致密度、硬度和切削性能，不僅能獲得較好的氣密性，還可以減少刀具磨損，提高加工表面粗糙度[5，7]。

在500～530℃溫度區間內，Mg在鋁α-固溶體的溶解度一般為0.3%～0.4%。為了避免Mg的析出，擬取Mg質量分數為0.25%～0.35%。

1.4 錳（Mn）

Mn的作用主要是消除爐料中鐵元素對合金的危害。錳在鋁-硅合金中形成Al10Mn2、Al8Mn相，AlSi合金中形成的Al9Fe2Si2相中的Fe將會分離出來，溶解于Al10Mn2、Al8Mn相，從而消除鐵的有害作用。

Mn的加入量是根據爐料、爐襯的含Fe量來決定的。當Fe的含量超過0.4%時，Mn的加入量為Fe含量的50%。文中試驗采用中頻無芯感應電爐，其爐襯為耐火材料，保溫采用電阻坩堝爐，因此Fe元素主要來自爐料。經檢測，各種爐料Fe質量總分數在0.6%左右[5]，因此，擬取Mn質量分數為0.2%～0.4%。

1.5 鋅（Zn）

Zn是本研制合金擬加入的一種特殊成分。它的加入主要使合金減少體膨脹和體收縮，抑制各種化合物相的生長，穩定金相組織，同時使凝固后的合金在常溫下較短時間內能釋放出凝固收縮應力。Zn與前面擬加的Cu、Mg一同加入，對熱處理和自然時效有良好的效果[5]。擬取Zn質量分數為2.0%～4.0%。

1.6 雜質對合金性能的影響

Fe在任何一種鋁合金中都是有害元素。它使合金降低力學性能，特別是延伸率，同時使合金產生組織疏松和熱裂傾向，因此必須穩定爐料來源。隨著爐料中含鐵量的變化，應適當調整Mn的加入量，消除Fe的有害作用。Fe的含量應控制在1.0%以下。Sn降低合金抗拉強度、硬度和耐蝕性，必須嚴格控制。Sn 的含量應控制在0.05%以下。

2 試驗方法

2.1 合金熔煉試驗

按《壓鑄鋁合金AlSi9Cu3Zn3熔化工藝》要求，對回爐料、各種原材料分別過稱配料。將回爐料、Al、Si、Cu、Zn、Mn單金屬元素依次加入IGBT無芯中頻感應電爐（800 kg）中直接熔化，然后合金熔體在710～750℃下靜置15 min，再加入爐料Mg并進行充分攪拌，最后加入精煉劑用氮氣攪拌除氣打渣。實際生產中作了兩項調整：一是由于金屬硅塊加入量太多，大大加長了熔化時間，Si的質量分數由8.0%～11.0%修改為8.0～10.0%；二是由于回爐料Mg的成分有波動，為了避免Mg超出0.4%而析出，Mg質量分數由0.25～0.35%修改為0.15%～0.3%。其它擬加元素質量分數不變，產品最終成分見表1。

表1 AlSi9Cu3Zn3新型鋁合金化學成分

2.2 壓鑄生產試驗

將制備好的鋁合金熔體轉入電阻坩堝保溫爐中，用低溫打渣劑進行再次除氣打渣處理，然后壓鑄（生產）產品。壓鑄產品為空干器殼體：鑄件重 1.15 kg，帶澆注溢流系統總重2.06 kg，鑄件一般壁厚6 mm，局部最小壁厚4 mm，最大壁厚12.5 mm。技術要求：加工面不能有氣孔、縮孔等鑄造缺陷，在1.2 MPa氣壓下，不能有滲漏。采用DCC500壓鑄機進行壓鑄生產試驗，合金澆注溫度為660～680℃，一快壓射速度為0～10 m/s，二快壓射速度為35 m/s，二快壓射行程60 mm。每批次生產空氣干燥器約250件（模）。

2.3 自然時效試驗

（1）試棒的自然時效試驗：分成出模后4 h、12 h、20 h、28 h、36 h、48 h，6個時段分別進行力學性能試驗和金相試驗。

（2）產品的自然時效試驗：出模后分成24 h、36 h、48 h三個時段進行切削性能試驗。

（3）加工后產品圓柱度試驗：對上述切削性能試驗產品進行圓柱度檢測。

3 試驗結果與分析

通過試驗現場的觀察發現，新型鋁合金壓鑄成型性能更好，鑄件和澆口斷面金屬晶粒更為均勻和細小，優于YL112鋁合金。重復試驗6次，結果趨于一致。

圖1為不同自然時效時間的鋁合金金相照片，由圖可知，共晶硅在自然時效為4 h的時候，其尺寸粗大且分布不均，破壞了基體組織的連續性，從而對材料力學性能產生不良影響。隨著時效時間的增加，共晶硅明顯向粒狀轉變，尺寸明顯減小，且呈均勻分布，當自然時效為36 h時，共晶硅相尺寸在50 μm以下。

圖1 不同自然失效后材料的金相照片

表2為試樣在不同自然時效時間的力學性能。在自然時效36 h內，抗拉強度增幅較大，由245 MPa增加至325 MPa。由36 h提高到48 h，力學性能變化不明顯，因此自然時效的最佳時間為36 h。延伸率和布氏硬度均隨著自然時效的增加，分別呈降低和增加的趨勢。

表2 試樣自然時效各時段測得的力學性能 （均值）

表3為產品的自然切削性能試驗結果，自然時效36 h后，產品的切削性能很好，其表面粗糙度為0.4 μm，性能均優于YL112鋁合金。

表3 產品自然時效切削性能試驗

表4為產品圓柱度檢測結果，對3件自然時效36 h及以上的產品進行圓柱度檢測，其結果分別為φ0.020～φ0.025，均符合產品φ0.02～φ0.05的要求。

表4 加工后產品圓柱度檢測

4 結論

本文研制了一種新型自然快速去應力壓鑄鋁合金材料——AlSi9Cu3Zn3，省去了人工時效處理工藝環節，在滿足閥類產品要求的同時，新型材料具有組織致密、綜合力學性能好、生產工藝性好、產品性能穩定等特點。壓鑄后自然時效36 h，其抗拉強度為325 MPa，延伸率為3.5%，HBS硬度為96.3，表面粗糙度為0.4 μm，其圓柱度檢測結果為φ0.020～φ0.025，滿足產品精度要求，部分性能優于YL112鋁合金。