原标题:免处理高伸长率HL-111铝合金的研究及应用

摘要:采用真空压铸制备了4组壁厚分别为2.2、2.5、2.7和3.0 mm的薄板试样，通过光谱分析、拉伸试验、金相组织分析、SEM断口形貌分析等方法，得出Mn、Mg元素及Mn、Mg比对不同壁厚试样微观组织及力学性能的影响。结果表明，当Mn含量为0.4%~0.65%、Mg含量为0.17%~0.5%，且Mn、Mg比达到1.69~1.90时，可以使壁厚为2~3 mm的HL-111合金抗拉强度、屈服强度和伸长率分别达到280 MPa、120 MPa和10%以上，力学性能大幅提升。

Magcimal-59、Castasil-37和Silafont-36等Al-Si系合金因其良好的铸造性能，广泛应用于常规零件的超高真空高压铸造。随着汽车轻量化技术的不断改进，Silafont-36合金本身具有的较高强度和伸长率，在车体框架、减震塔等对安全性能要求极高的结构件制造中备受青睐。尤其是，超高真空压力铸造技术的不断革新和大型压铸机工艺的日益成熟，以及新能源汽车的快速发展需求，都使Silafont-36合金在压铸大尺寸、复杂结构、超薄壁结构件得到广泛应用。

由于车身结构件尺寸大、结构复杂，通常对壁厚有着极高的要求。以减震塔为例，其功能区域壁厚在2~3 mm范围内；但是零件在进行T7热处理后容易产生不同程度的不可预测的变形，由此造成的返工矫正，废品率提高。这些使制造成本增加，加剧了整车的成本上升。

对压铸Silafont-36合金已开发应用数年，合格率和生产成本上都有所控制。以Silafont-36为基础，进行合金元素的合理调配（HL-111合金），以期获得不同壁厚的铸件力学性能完全达到原始Silafont-36合金进行T7热处理后的高强度、高韧性要求，从而取消T7热处理，进而降低成本。

1.试验材料及方法

1.1 试验材料

用300 kg电阻炉进行铝液熔化，温度稳定在720 ℃时开始精炼除气50 min，除气过程中加入变质剂Al-10Sr中间合金[4]和超级细化剂TCB晶种合金。精炼除气合格后静置10 min，在710 ℃后转运至300T-Buhler小型压力铸造机边炉。依次进行壁厚为2.2、2.5、2.7和3 mm及相应元素配比的试样压铸试验，试样铸件实物见图1。试样制备完成后按照GB/T 228制取试样。

图1 压铸试样实物

1.2 试验方法

用SPECTRO MAXx07-F元素直读光谱仪进行合金化学成分分析。利用CMT5205-电子万能试验机进行拉伸试验，测试4组数据并取平均值。采用OLYMPUS GX53金相显微镜和Nova SU-70扫描电镜进行试样的微观组织分析。

采用200 mm×40mm×（2.2、2.5、2.8、3.0） mm的4种压铸试件，每种厚度的试件分别调整Mn、Mg质量比为1.65、1.69、1.71、1.73、1.75、1.77、1.79、1.81、1.83、1.85、1.88、1.90，并按1~48编号，见表1。

表1 试样编号

2.试验数据分析

2.1 力学性能测试

二拉伸试样尺寸见图2。按照GB/T228标准设置试验参数：拉伸速度为4 mm/s，选择YYU-10/50引伸计，输入试样的横截面积，进行拉伸试验，试验结果见表2。

图2 拉伸试样示意图

表2 不同试样的力学性能

Silafont-36合金经T7热处理后一般要求伸长率≥10%，抗拉强度≥200 MPa，屈服强度≥120 MPa。由表2可以看出，HL-111合金铸态试样伸长率均超过10%、屈服强度均在120 MPa以上，抗拉强度均能达到280 MPa以上，从HL-111合金减震塔本体取样，抗拉强度，屈服强度和伸长率均达到要求。

2.2 化学成分分析

使用无水乙醇擦拭试样表面与直读光谱仪火花台，选择Silafont-36合金，进行光谱分析，结合4个Mn、Mg质量比，在合金壁厚为2~3 mm时的元素成分，见表3。

表3 2~3 mm壁厚最佳合金的化学成分 %

2.3 微观组织分析

图3为Silafont-36合金铸态的显微组织。可以看出，铸态组织中，白色为较粗大的初生α1-Al相，细小而圆润的为二次α2-Al相，α-Al相的不规则生长使共晶Si相的生长受到抑制从而不断改变生长方向，最终生成相对封闭的团簇状，降低了与其他相的耦合程度。α1-Al相的长度大于（27.09±2）μm，α2-Al相直径为（7.41±1）μm左右，共晶Si占比为36.91%，这种不均匀分布的组织使得合金的韧性下降。

图3 Silafont-36合金

不同壁厚HL-111合金的金相组织见图4。与原始的Silafont-36合金相比可以得出，当Mn、Mg比达到1.73~1.89范围时，α-Al的初生相与二次相并不明显，共晶Si也得到充分的耦合生长，整体分布也相对均匀，这有利于增强HL-111合金的韧性与强度；使用软件计算α1-Al相最大长度仅为16.43±1.5μm，二次相直径为7.40±1μm ，共晶Si占比为降至26.62%~30.02%，在保证合金强度的同时，使得合金伸长率得到进一步加强。

图4 HL-111合金铸态金相组织

2.4 断口韧窝分析

Silafont-36合金和不同壁厚HL-111合金的拉伸断口形貌见图5。对比分析发现，当Mn、Mg质量比达到1.73~1.89时，HL-111合金拉伸断口中的韧窝尺寸较大，且韧窝数量较多，材料的塑性越好，伸长率可以达到10%以上。

图5 Silafont-36和HL-111合金不同壁厚试样断面SEM图

3.分析与讨论

当Mn、Mg质量比达到1.73~1.89时，可以测得HL-111合金中初生相α1-Al和二次相α2-Al尺寸明显减小，由Hall-Petch公式计算如下：

随着晶粒尺寸的减小，合金的大角晶界数量增加，当合金受外界应力时，晶粒内的位错无法跨过晶界，在晶界上塞积，当外界应力增大时，相邻晶粒的位错源会开动，开始发生塑性变形。因此HL-111合金的晶粒较小，其强度增加。

当Mn、Mg质量比达到1.73~1.89时，HL-111合金的晶粒分布更加均匀，但合金发生塑性变形时，塑性变形可以更加均匀地分布在每个晶粒中，不易产生应力集中，HL-111合金可以承受更多的变形，材料的塑性提高：同时共晶Si的比例减少，Silafont-36合金中Si的强韧度较低，且会对基体产生一定的撕裂作用，共晶Si的比例降低后既可以降低共晶Si引起的强韧度降低，也可以提高HL-111合金的塑性。

4.应用

虽然已经验证了HL-111合金在试验条件下可替代Silafont-36合金从而省略T7处理，实际压铸条件下，要进行汽车减震塔压铸试验，检测减震塔试样的力学性能是否达到要求。

选取HL-111合金进行压铸生产汽车减震塔，减震塔试样见图6；按照图6b位置获取拉伸试样。

图6 HL-111合金减震塔压铸试样图

拉伸试验后，伸长率、抗拉强度等力学性能见表4。HL-111合金压铸生产的减震塔各项力学性能均达到要求。因此，HL-111合金代替Silafont-36合金进行减震塔的实际生产是可行的。

表4 减震塔压铸试样力学性能表

5.结论

（1）在Silafont-36合金元素含量基础上，通过调节Mn、Mg质量比可以使不同壁厚的HL-111合金抗拉强度、屈服强度和伸长率分别稳定地达到280 MPa、120 MPa和10%以上；当Mn、Mg质量比达到1.73~1.89，壁厚在2~3 mm时，HL-111合金可以取代Silafont-36合金及T7热处理。

（2）当Mn、Mg质量比达到1.73~1.89时，能够调节HL-111合金微观组织的结晶规律，使得α-Al的初生相与二次相差距减小，晶粒呈规则且均匀的趋势分布，从而较好地提升合金力学性能。

（3）通过减震塔案例验证，该免处理合金本体试样力学性能达到应用要求。

作者

贺艳阳 许钢 邹艳 王春涛 关祥丰
宁波合力科技股份有限公司

本文来自：《特种铸造及有色合金》杂志