一體壓鑄用免熱處理鋁合金自主研發及應用

摘要：為獲得性能優異的一體壓鑄用免熱處理鋁合金，通過調整合金中各元素的質量分數，設計出3種不同成分比例的Al-Si系免熱處理鋁合金，采用差示掃描量熱儀（DSC）、金相顯微鏡、掃描電鏡、拉伸試驗機和電磁共振式疲勞試驗機對3種合金的熔化溫度區間、組織相構成、斷口形貌、拉伸與疲勞性能進行分析，結果表明，2#合金的熔化溫度區間為55 ℃，抗拉強度、屈服強度、斷后伸長率分別為303 MPa、153 MPa、11.3%，在1×107循環周次下的軸向拉壓疲勞強度均值為125 MPa，因此，2#合金具有良好的鑄造流動性、金相組織、強韌綜合性能與鑄造工藝性，且疲勞性能優于汽車行業普遍應用的AlSi9Cu3（Fe）壓鑄合金。

關鍵詞：免熱處理鋁合金 高真空壓鑄 力學性能 組織形貌

中圖分類號：U465.2 " 文獻標志碼：B " DOI： 10.19710/J.cnki.1003-8817.20240370

Development and Application of Heat-Treatment Free Aluminum Alloy for Integrated Die-Casting

Zhang Xin， Gao Honglei， Li Wei， Guo Zhipeng， Xu Chenglin

（FAW Jiefang Automobile Co.， Ltd.， Changchun 130011）

Abstract： To obtain high-performance heat-treated free aluminum alloys， 3 kinds of Al-Si based heat-treated free aluminum alloys with different composition ratios are designed by adjusting the mass fractions of each element in the alloy. The melting temperature range， structure phase composition， fracture morphology， tensile and fatigue performance of 3 kind of alloys are analyzed by using Differential Scanning Calorimeter （DSC）， metallographic microscope， scanning electron microscope， tensile testing machine and electromagnetic resonance fatigue testing machine. The results show that 2# alloy has good casting fluidity， metallographic structure， comprehensive strength and toughness properties and casting manufacturability， with a melting temperature range of 55 ℃， the tensile strength， yield strength and elongation rate at break are 303 MPa， 153 MPa and 11.3%， respectively. The average axial tensile compressive fatigue strength at 1×107 cycles is 125 MPa， which is superior to the fatigue performance of AlSi9Cu3 （Fe） die-casting alloy commonly applied in the automotive industry.

Key words： Heat-treatment free aluminum alloy， High vacuum die-casting， Mechanical properties， Microstructure

1 前言

免熱處理鋁合金按合金體系主要分為Al-Si系和Al-Mg系。其中，Al-Si系具有良好的鑄造工藝性，行業應用廣泛，例如美鋁C611、德國萊茵Castasil-37和麥格納公司的Aural 2、Aural 3、Aural 5等。Al-Si系免熱處理鋁合金已應用于奧迪A8、保時捷Cayenne等高端車型的減震塔、扭轉盒、車頂橫梁等零件中[1]。但免熱處理鋁合金僅在部分高端乘用車企業和壓鑄行業有所應用，在汽車行業應用范圍有限。2019年，特斯拉發布一體化車身壓鑄成型技術，并于2020年應用于Model Y車型的后底板總成，引起汽車行業對一體化壓鑄技術的持續關注。

傳統壓鑄技術將鋁合金零件鑄造成型后需進行熱處理以提高零件的強韌性。而使用免熱處理鋁合金制備的壓鑄件無需熱處理即可獲得較高強度和超高塑性，免熱處理鋁合金具有以下優勢： 減少鋁合金壓鑄件的工序，縮短壓鑄鋁件制造周期，節約生產成本；規避熱處理導致大型薄壁壓鑄鋁件變形、廢品率提升的問題；鑄態下具有超高塑性，能夠滿足壓鑄鋁件鉚接等連接需求。本文通過調整鋁合金中元素質量分數，以期獲得性能優異的免熱處理鋁合金。

2 試驗材料與試驗方法

2.1 試樣制備

綜合考慮鋁合金材料的成分、組織、工藝和性能，設計出3種不同成分比例的Al-Si系免熱處理鋁合金，其元素構成與質量分數如表1所示。

將表1中的3種鋁合金材料依次放入電爐中，在溫度為680～730 ℃的區間內熔煉，當合金完全熔化均勻后加入精煉劑，并在保持溫度不變的條件下，使用氬氣對合金液進行精煉除氣，時間為5～15 min，隨后采用高真空壓力鑄造方法將除氣后的Al-Si合金液制備壓鑄試棒和板狀試樣，用于金相組織與力學性能分析。其中，壓鑄試棒規格執行GB/T 13822—2017《壓鑄有色合金試樣》中的A型拉力試樣[2]，其形貌如圖1所示。板狀試樣規格為80 mm×200 mm，厚度為4 mm，形貌如圖2所示。

2.2 試驗方法

試驗采用NETZSCH DSC 204F1 Phoenix差示掃描量熱儀 （Differential Scanning Calorimeter，DSC）對3種的壓鑄試棒進行熱分析。為防止合金氧化，試驗全程使用流速為50 mL /min的氮氣作為保護氣。使用Al2O3坩堝，以10 ℃/min的平均升溫速度由室溫升溫至670 ℃并保溫5 min，再以10 ℃/min的平均降溫速度降至室溫，試驗結束。

采用OLYMPUS金相顯微鏡、ZEISS場發射掃描電鏡對壓鑄試棒進行金相組織、顯微組織和斷口形貌分析。采用MTS拉伸試驗機對壓鑄試棒進行力學性能分析，拉伸速度為2 mm/min。

在2#合金的板狀試樣上制取漏斗型疲勞試樣，試樣規格按GB/T 3075—2008《金屬材料 疲勞試驗 軸向力控制方法》中的圖4b執行[3]。采用RΜMUL Testronic 100 kN電磁共振式疲勞試驗機，設置疲勞應力比R=-1、載荷波形為正弦波，測試2#合金在循環周次1×107下的疲勞極限和應力-壽命（S-N）曲線。

3 試驗結果與討論

3.1 DSC分析

圖3為3種壓鑄試棒的DSC曲線，3種試棒的DSC曲線均出現2個吸熱峰：低溫吸熱峰的峰值溫度約為593～594 ℃，峰形高且尖銳，峰形下方面積較大，表明熔化吸收熱量較多；高溫吸熱峰的峰值溫度為612～618 ℃，峰形相對較矮且平緩，峰形下方面積較小，表明熔化吸熱相對較少。結合Al-Si相圖[4]、低溫及高溫吸熱峰溫度范圍、峰形下方面積分析可知：

a. 低溫吸熱峰由Al-Si合金樣品內低熔點共晶物熔化吸熱形成。

b. 高溫吸熱峰由樣品內的α-Al固溶體熔化吸熱形成。

c. 3種樣品的共晶物熔化所吸收的熱量比α-Al固溶體熔化更多。

3種鋁合金熔化溫度區間為52～59 ℃（見表2），與汽車行業普遍應用的YL112壓鑄鋁合金熔化溫度區間（55 ℃）[5]基本相同，表明新設計的3種鋁合金具有較好的鑄造流動性。

3.2 金相組織與微觀相形貌分析

圖4為3種鋁合金鑄態下的金相組織，3種鋁合金金相組織主要為α-Al固溶體、分布在α-Al固溶體間的共晶硅以及少量Al（Mn，Cr，Fe）Si等第二相。α-Al固溶體有2種形態：一是粗大的條塊狀枝晶，該形態是由于鋁液倒入壓鑄機料柄并接觸料柄壁降溫形核產生的，鋁液在料柄內短暫停留，晶粒輕微長大；二是細小圓狀，鋁液在壓鑄充型時快速充填，在接觸模具的瞬間快速形核凝固，晶粒難以長大，在模具型腔內形成細小圓狀晶粒。

3種鋁合金內的共晶硅均變質良好。二維下觀察，共晶硅呈細小粒狀、短桿狀，粒徑≤1 μm，未見大塊及條狀共晶硅形態（圖4、圖5a）。將部分α-Al固溶體腐蝕掉，可觀察到共晶硅三維形態呈相互連接的細小羽毛狀（圖5b），每條“羽毛”分枝直徑約為0.3 μm。由于共晶硅的硬度和脆性均高于α-Al固溶體，當鋁合金中存在大塊條狀共晶硅時，會割裂基體導致材料塑性降低。因此，細化、粒化共晶硅有利于提升材料塑性。

一般鑄造鋁合金中的針狀或長條狀β-Fe相會大幅降低鋁合金塑性。在自主設計的鋁合金原料中添加少量Mn、Cr元素，可將可能出現的針狀β-Fe相調整為分布在α-Al固溶體上的少量呈漢字狀、多邊形狀的Al（Mn，Cr，Fe）Si相，從而提高鋁合金塑性，如圖6所示。圖6中A點、B點成份如表3所示。

3.3 力學性能與斷口形貌分析

3種新設計的鋁合金壓鑄試棒拉伸試驗結果與2種傳統鋁合金的對比如表4所示。為確保試驗結論的可靠性，新開發的鋁合金壓鑄試棒每種選擇5個樣品進行試驗，并取各項均值。

由表4可知，新開發的3款鋁合金抗拉強度雖略低于傳統鋁合金A380和YL112，但其斷后伸長率比A380和YL112提升200%以上，具有更好的塑性。圖7為新開發的3款鋁合金與傳統鋁合金壓鑄試棒的抗彎曲形貌對比，傳統鋁合金YL112和A380的壓鑄試棒分別在彎曲30°、38°時發生斷裂，自主開發的鋁合金1#、鋁合金2#、鋁合金3#壓鑄試棒分別彎曲至150°、125°和90°時仍未斷裂，表現出更好的抗彎曲性能和塑性變形能力。

為滿足壓鑄鋁件自沖鉚連接的工藝需求，一般要求一體壓鑄用免熱處理鋁合金斷后伸長率≥10%[6]。

由表4可知，1#合金的斷后伸長率最高，均值為13.1 %，但其抗拉和屈服強度相對較低，均值分別為291 MPa、134 MPa。2#合金與1#合金各元素質量分數相比，僅Mg元素和其他微量元素的質量分數有所提高，2#合金的抗拉強度和屈服強度分別比1#合金提升了約4.1%和14%，且2#合金5個樣品的斷后伸長率均高于10%，均值為11.3%，表現出優異的綜合力學性能。相比于2#鋁合金，3#鋁合金進一步提升了Mg、Cu的質量分數，3#鋁合金的抗拉強度、屈服強度的均值提升至314 MPa、161 MPa，但其斷后伸長率降至7.7%。3#鋁合金雖具有最高的強度，但斷后伸長率lt;10%，難以滿足后續壓鑄鋁件的連接需求。圖8為新開發的3種鋁合金壓鑄試棒應力與應變關系曲線，圖中1#-1曲線表示表4中1#合金1試樣的應力應變曲線，其余以此類推。

分析3種鋁合金壓鑄試棒的拉伸斷口形貌可知，1#合金斷口布滿韌窩，呈典型韌性斷裂（圖9a、圖9b），此外，1#合金斷口上可見多處因α-Al基體塑性變形產生的“山脊”狀形貌，表明α-Al基體塑性變形能力會影響鋁合金的斷后伸長率。2#合金斷口存在韌窩與α-Al基體塑性變形產生的“山脊”狀形貌，局部區域可見準解理形態（圖9c、圖9d），表明2#合金的塑性變形能力較1#合金有所下降。3#合金斷口的準解理形貌占比進一步升高，并出現2次裂紋形態，表明3#合金的塑性變形能力持續降低（圖9e、圖9f）。3種合金的斷口形貌特征與表4中材料的斷后伸長率變化趨勢一致。

3.4 疲勞性能分析

綜上所述，3種鋁合金中，2#鋁合金具有最優的強韌綜合性能，因此，選取2#鋁合金開展疲勞性能分析與后續產品應用驗證。

經疲勞測試與數據分析，2#鋁合金在循環周次為1×107次時的疲勞強度平均值[μy]=125 MPa，標準偏差[σy]=2.65 MPa。軸向拉壓S-N曲線如圖10所示。

按GB/T 24176—2009《金屬材料 疲勞試驗 數據統計方案與分析方法》，采用公式（1）[8]估算2#合金在不同置信度（1-α）、存活概率p下的疲勞強度[y（p，1-α）]，計算結果如表5所示。

[y（p，1-α）=μy-k（p， 1-α， υ）σy] " （1）

式中：系數[k（p， 1-α， υ）]為正態分布單邊誤差限；υ為自由度，可通過查不同概率下的正態分布單側誤差限系數表獲得。

汽車行業常用的壓鑄鋁合金有YL112、YL113、A380和AlSi9Cu3（Fe）等。Péter Szalva等研究了AlSi9Cu3（Fe）在軸向拉壓載荷下、應力比R=-1時的S-N曲線，如圖11所示[9]，當循環周次為1×106時，AlSi9Cu3（Fe）的疲勞強度平均值[μy]為120～130 MPa。2#鋁合金在更高循環周次（1×107）下的疲勞強度平均值[μy]=125 MPa，故2#合金具有更好的疲勞性能。

4 應用驗證

在高真空壓鑄工藝下使用2#鋁合金制備電池包殼體，驗證評估2#鋁合金的鑄造工藝性與零件本體力學性能。

經試制，2#鋁合金在合金熔煉與電池包殼體壓鑄生產過程中的鑄造工藝性表現良好。如圖12所示，壓鑄的電池包殼體零件外觀、尺寸滿足設計要求，未見冷隔、裂紋、縮孔和澆不足等缺陷。對零件進行X射線探傷以及剖切觀察，零件內部組織較為致密，但局部加強筋處存在縮孔、縮松。

在電池包殼側框處取樣，進行零件本體的力學性能分析，檢測結果如表6、圖13所示。與前述2#鋁合金壓鑄試棒力學性能（表4）對比可知，電池包殼體本體取樣的抗拉強度、屈服強度和斷后伸長率分別約為壓鑄試棒性能的90%、96%和72%。零件本體樣品的抗拉強度降低約10%，屈服強度較壓鑄試棒降低約4%，但斷后伸長率大幅度降低約30%。經分析，原因為電池包殼體尺寸較大（長度約1 m）以及壓鑄工藝參數設置（壓射速度、壓射比、模溫控制等），電池包殼體壓鑄時，鋁液充型過程卷氣與冷卻凝固條件均較壓鑄試棒惡化，造成電池包殼體本體組織的致密性與一致性均低于壓鑄試棒，降低了力學性能。由于鋁合金的斷后伸長率對組織致密性、一致性與鑄造缺陷最為敏感，故降幅最大。后續壓鑄鋁件開發時需重點關注壓鑄鋁件本體與壓鑄試棒間力學性能的差異，尤其是斷后伸長率的變化對壓鑄鋁件使用性能的影響。提前進行零件結構及壓鑄工藝優化，實現鑄件順序凝固可獲得良好強韌性能。

5 結論

a. 1#鋁合金具有高塑性（斷后伸長率為13.1%），但抗拉強度、屈服強度略低，不利于產品可靠性與輕量化設計；3#鋁合金抗拉強度、屈服強度較高，但塑性不足（斷后伸長率為7.7%），難以滿足壓鑄鋁件自沖鉚連接需求；2#鋁合金具有優秀的強韌綜合性能，其抗拉強度、屈服強度和斷后伸長率分別為303 MPa、153 MPa和11.3%。此外，與A380、YL112等鋁合金相比，2#鋁合金抗拉強度降低7.7%，但斷后伸長率提升400%。

b. 2#鋁合金熔化溫度區間為55℃，與YL112壓鑄鋁合金熔化溫度區間持平，具有較好的鑄造流動性。

c. 2#鋁合金的金相組織主要為α-Al固溶體+分布在α-Al固溶體間的共晶硅+少量Al（Mn，Cr，Fe）Si等第二相。其中，共晶硅平面形貌為細小粒狀、短桿狀，粒徑≤1 μm；立體形貌呈相互連接的“細小羽毛狀”。組織中無影響材料塑性的大塊及條狀共晶硅。2#鋁合金還存在少量漢字狀、多邊形狀分布的Al（Mn，Cr，Fe）Si相，未見針狀及長條狀β-Fe相。

d. 2#合金在循環周次為1×107的軸向拉壓測試條件下，疲勞強度均值[μy]=125 MPa，疲勞性能優于AlSi9Cu3（Fe）合金。

e. 采用2#合金試制的電池包殼體拉伸性能分析表明，零件本體抗拉強度、屈服強度和斷后伸長率分別約為壓鑄試棒性能的90%、96%和72%。未來汽車行業的免熱處理鋁合金將向更高強韌性能、更低成本與回爐料循環利用等趨勢發展。

參考文獻：

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