鐵含量對汽車用鋁合金組織與性能的影響

周坤如 周語祺

摘 要：A356為美標的鋁合金牌號，該合金的具備較好的耐蝕性，并且體現為優良的抗疲勞性、加工性以及熱處理性能。因此在目前的現狀下，很多制造企業都會傾向于選擇此類的合金材料用于制造汽車輪轂或者汽車缸體。從微觀結構的角度來講，此類合金主要包含了金屬化合物，并且含有共晶硅離子以及硅的沉淀物。從合金的內部結構角度講，鐵元素對于整體的合金結構以及合金性能占據最大的影響比例。因此，本文重點研究Fe元素對A356鑄造鋁合金力學性能的影響，該試驗過程中，根據其合金成分組成，在基本確保其他元素不變的前提下，重點試制3種不同含量Fe元素的試樣，通過鑄造、熱處理、組織觀察、拉力試驗過程分析Fe對鋁合金組織和性能的影響。通過試驗分析出結果為改變 A356 鋁合金中鐵含量將改變Fe的組織形態，從而改變組織結構，最終提升鋁合金的拉伸力學性能。

關鍵詞：A356鋁合金;鑄造;熱處理;微觀組織;力學性能（Rp0.2，Rm，A5）

1課題研究背景和意義

進入新時期后，汽車設計行業總體上已經達到較高的產品設計水準，而相應的汽車設計技術也體現為多樣化的基本趨勢。對于現階段的汽車工業來講，總體趨勢主要體現在節能型與輕型的汽車設計。在此前提下，很多企業制造商針對設計新型的汽車零部件更多運用了鋁合金作為其中的主要材質。并且，目前對于汽車輪轂、熱交換器以及其他的汽車部件都已經能夠運用A356型號的鋁合金材質。除此以外，設計技術人員針對某些型號的汽車車身、底盤與發動機都可以選擇此類的鋁合金材質用于進行優化設計。因此在現階段的汽車工業領域，A356的鋁合金已經能夠獲得較廣的技術運用。

由于鋁合金的密度相對于鋼材料密度小很多，同尺寸下鋁合金材質比鋼材質輪轂要輕得60%以上。與鋼制的汽車輪轂進行對比，可見鋁合金材質的輪轂具有更小的轉動慣性，進而對于整車的加速能力與起動能力都能有效進行提升。并且，汽車是否體現為優良的制動性，其在根本上也決定于鋁合金材質。從鋁硅合金的角度來講，析出的鐵元素具有針狀的形態，此種針狀的析出物將會明顯減損原有的合金力學性能。并且，針狀的鐵元素具有較強的材料脆性，因而很可能損害固有的金屬基體。此外，鋁合金由于受到針狀的鐵析出物影響，那么將會明顯降低原有的合金力學性能。

2 實驗過程和方法

2.1 材料

工業純鋁、純硅塊、鎂錠、Al-10Ti中間合金、Al-10Fe中間合金、Al-5Ti-B細化劑、精煉劑、高純氬氣等。

2.2 實驗過程

具體包含試樣的熔煉鑄造過程、熱處理過程、組織觀察、力學性能以及斷口組織觀察等。

2.3 實驗方法

1）合金成分設計：實驗鋁合金成分設計依據為 A356鑄造鋁合金錠化學成分，執行標準：ASTM;主要成分 如下，硅 Si：6.5～7.5、鎂 Mg：0.25～0.45、鈦 Ti：0.08-0.20、鋁 Al：余量;雜質包含，鐵Fe： 0.000～ 0.200、銅 Cu：≤0.1、錳 Mn：≤0.10、 Zn：≤0.1、鋯 Zr：≤0.20、錫 Sn：≤0.01、鉛 Pb：≤0.03以此為依據，設置3組成分，其他成分不變，將Fe的含量分別設置為2000ppm，1000ppm，200ppm，具體成分分析如表1。

2）實驗過程包含試樣熔煉鑄造、熱處理、組織觀察、性能測試等過程;

3）熔煉工藝：熔煉過程包含熔煉、除氣和變質處理等精煉工藝。

①熔煉過程：采用坩堝電阻爐，將鋁錠在坩堝內熔化，熔化溫度小于725℃，然后按照成分配比計算相應重量的硅塊加入到已熔化的鋁合金液中，加入硅塊之后，用鋁錠將硅塊壓住鋁合金液內部，禁止硅塊裸露在空氣中。待全部熔化后，攪拌均勻，將溫度調整到680—700℃，將鎂塊壓入到鋁合金液中的，待鎂全部熔化后，最后在精煉前加入鋁鈦硼絲。

②精煉： 去除鋁合金中的氣體，非金屬夾雜物和其它有害元素。除氣使用旋轉噴吹氬氣精煉裝置。

③變質處理： 通過細化合金組織，改變共晶硅形態，最終提高鑄件的力學性能。

4）熱處理工藝：采用鋁合金鑄件T6熱處理工藝程序，主要工序包含：加熱-保溫-淬火-時效。

5）組織觀察：對A356鋁合金金錠取樣，并制成金相樣品，備用觀察。利用金相顯微鏡對A356鋁合金金錠樣品組織形態進行研究，然后通過MIAPS工程軟件對觀察試樣內部的富鐵相的寬度以及長度進行測量分析。

6）性能測試：運用電子萬能材料試驗機對所制得的拉伸試樣進行拉伸試驗，抗拉試樣按照如圖2所示的樣式國家標準制造試樣。各個含鐵量鋁合金試樣取3個拉伸試樣進行操作，對3次結果求得平均值作為其最終結果。

3 結果與討論

3.1 熱處理前后組織的變化

在全面經過熱處理的前提下，待測試件將會具有相對較好的綜合力學性能。探究其中的根源，主要在于析出的Mg2Si具有非平衡相的特征。共晶硅相的大小、形貌與分布狀態在固溶處理過程中都發生了較大的改變。在此過程中，經過肉眼觀察即可看到細小并且呈現球狀的共晶硅。具體對于硅顆粒而言，分布均勻的硅顆粒將會直接影響到晶粒物質的尺寸、外貌形態、力學特性以及空間分布等各項基本屬性。并且經過較長的保溫時間后，觀察可見明顯增大的顆粒間隔距離，并且體現為顯著減少的硅相顆粒比例。由此可見，在持續長時間進行保溫處理的基礎上，溶液基體內部將會融入更多的硅元素與鎂元素。與此同時，某些未能被溶解的硅顆粒也會繼續表現為沉淀現象。

圖3.1-1和圖3.1-2所示的組織均為固溶淬火+時效處理的組織。在某些情況下，析出的基體顆粒呈現球狀的均勻分布形態，并且不再表現為卵狀的最初形狀。

3.2 鐵含量對微觀組織的影響

圖3.2-1顯示了α-Al相（初生）部分整體上呈現白色。然而經過凝固處理以及冷卻處理后，此類物質將會轉變成樹枝狀或者晶粒狀的特殊形態。因此可以判斷出，此類的鋁合金物質仍然不具備最佳的韌性、強度以及可塑性。為了達到全面優化物質性能的效果，那么關鍵在于增強鋁合金物質固有的可塑性特征，并且還要運用適當的技術措施來實現針對鋁合金整體強度的提升。

圖3.2-2中顯示了共晶的硅相物質主要呈現深灰色，但是不規則的鐵相鋁合金同樣也呈現灰色的顏色。富含鐵相物質的鋁合金具有較差的切削性能，因而很難達到提升力學性能的效果。在此前提下，技術人員就需要運用適當措施來進行富含鐵相物質的內部結構改進。唯有如此，鋁合金材料才會達到較好的力學特性，同時也能達到有效改進力學特性的效果。

經過分析可見，金屬化合物以及鐵相物質之間可以產生特定的化學反應，進而生成了穩定性較強的晶粒物質。對于金屬狀態的鋁合金液體來講，A19FeMg3Si物質占據較低的含量比例。然而與之相比，A15FeSi物質本身也包含了較高比例的金屬化合物，此外還包含較多的晶粒物質。對于呈現灰色的共晶硅而言，合金組織的內部包含較多的此類共晶元素。但是實際上，此類共晶物質并不具有規則的物質形態。經過觀察可見，共晶物質的邊界仍然是十分清晰的，而塊狀的不規則形態主要體現在硅元素的分布上。

例如對于呈現樹枝狀的α-Al相（初生）物質而言，此類物質呈現混亂以及不規則的形態。晶體如果處于初生的狀態，那么將會呈現特定的生長方向。并且對于合金組織內部散布的針狀或者長條狀的粗大硅相物質來講，如果沒有做到有效控制硅相物質蔓延，那么很可能呈現組織斷裂的現象。并且在多數情況下，晶粒物質還可能會聚集較多的受力點，并且最終造成力學性能的明顯降低。

3.3 力學性能結果分析

通過對3種不同含量成分、各3組試樣進行性能測試，具體數據如表2。

由表2可知，隨著鐵含量下降，A356 鋁合金的抗拉力強度和屈服強度有所上升。

3.4 斷口形貌分析

拉伸試驗后，對于原有的試驗物質通過運用化學反應的方式，從而將其轉變為金相試樣。并且，對于縱向的試樣斷裂剖面進行了詳細觀察，如下圖。針對斷口形態在進行詳細觀察后，可以察覺到邊緣的斷口部位分布著較多的硅粒子。此外，擴展裂紋的大致方向為共晶硅離子的裂紋延伸方向。在離斷口面稍近位置處可以觀察到鑄造縮孔，同時在斷口邊緣可觀察到斷裂的共晶硅粒子。

3.5 力學性能差異的原因分析

隨著鐵含量上升，A356鋁合金的抗拉力強度有所下降。因此如果要達到明顯提升合金固有力學性能的效果，那么關鍵在于適當降低鐵元素在整個鋁合金中占據的比例。例如在保持0.6%的鐵元素比例時，鋁合金物質就會維持穩定性較強的斷面收縮性以及延伸率。這主要是由于，析出后的鐵元素多數呈現針狀的特殊形態，因此在客觀上能夠達到割裂鋁合金基體的效果。

由于受到拉伸力導致的明顯影響，那么鋁合金就會突然表現為碎裂的現象。在某些情況下，鐵元素如果呈現總量下降的現象，那么α-Fe 相的物質將會代替原有的 β-Fe 相物質，此種物質改變同樣也會影響到鋁合金的基本性能。尤其是對于拉伸性能較差的鋁合金物質而言，如果運用以上的物質轉化方式，則可以達到拉伸性能顯著增強的效果。

4 研究總結與創新點

1.一般對鋁合金雜質的研究，特別是對Fe的雜質影響的研究分析，一般設計合金成分為2%向0.6%比例區間分析，而本文針對A356合金成分設計時從0.2%到0.02%之間進行分析，具有較大的突破性;

2.鐵元素在整個鋁合金中如果呈現變化的比例，那么與之有關的各種合金物質也會相應改變固有的尺寸與數量，其中典型為β-Fe以及α-Fe相的合金物質。例如在減少鐵含量的前提下，針狀的合金物質也會呈現明顯降低的比例，但是卻會明顯增大原有的α-Fe相比例。

3.A356鋁合金中Fe含量的改變引起合金內部富鐵相改變。在減少鐵元素比例的情況下，合金物質將會增大固有的力學特性。由此可見，鐵元素比例以及合金性能之間具有內在的聯系。

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