摘要

研究了汽车转向节部件AlSi7Mg铝合金的组织和性能，主要通过不同保温温度和时间的固溶热处理制度，研究了固溶热处理工艺对AlSi7Mg铸造铝合金的组织和力学性能的影响规律。试验结果表明：538 ℃和8 h保温后，合金固溶更加充分，热处理后合金的共晶组织球化程度较高，固溶温度对共晶组织形态的影响要比保温时间的影响大得多，AlSi7Mg合金在538 ℃/8 h+淬火+160 ℃/6 h热处理状态下，材料的综合性能达到了较高的水平，若材料的韧性满足产品要求，可以降低固溶热处理的保温时间，以提高热处理效率。

在国家倡导碳达峰、碳中和的大背景下，部件系统轻量化成为汽车行业节能减排的重点发展趋势。汽车车身及底盘系统部件的轻量化作为主要研究热点，铝合金成为车身和底盘部件的优选材质。目前汽车轮毂、防撞梁、四门两盖等都已经能够运用不同类型的铝合金材质，对于汽车底盘部件的轻量化设计，在现阶段的汽车工业领域，AlSi7Mg铝合金已经获得广泛的应用。

铸态的AlSi7Mg铝合金通过固溶时效处理后才能达到设计使用指标，在铝合金的固溶处理阶段，防止低熔点共晶体在固溶加热时熔化，即出现过烧，固溶温度应低于三元共晶（α+Mg2Si+Si）温度。在固溶处理温度下保温的目的是保证得到饱和度最大的固溶体，铸造铝合金由于含有较多的合金元素，因此第二相比例大且组织粗大，其溶解速度远低于变形铝合金，因而它所需要的保温时间远比变形铝合金要长。

本文通过对照试验研究不同固溶热处理工艺对A356铸造铝合金组织和性能的影响。优选出适合AlSi7Mg铝合金的最佳固溶处理工艺参数，通过热处理温度及保温时间的良好搭配来实现短时高效热处理。

1 试验材料与方法

材料采用A356.2，控制成分如表1所示，参照标准ASTM B 108-03a。通过低压铸造工艺成形汽车转向节部件，为金属型铸件，热处理试样均取自在转向节的同一部位，取样如图1所示，每件切取一根。通过MTS电子万能拉伸试验机进行拉伸实验，利用布氏硬度计开展试样的硬度测试。金相试验先后进行样品镶嵌、磨抛以及腐蚀，然后利用光学显微镜开展金相显微组织观察。AlSi7Mg铝合金低压铸造件切割获得拉伸试棒，具体尺寸如图2所示。

表1 AlSi7Mg合金成分控制范围 wB/%

图1 汽车转向节及试验取样位置

图2 圆柱形拉伸试棒尺寸示意图

针对原热处理工艺，固溶温度（538±5）℃，保温时间8 h，改变固溶温度和保温时间。由于时效影响较小，仍采用原时效参数，时效温度160 ℃，保温时间6 h。同一炉中放置三件铸件，进行固溶处理，温度控制（528±5）℃、（538±5）℃、（548±5）℃，保温时间分为4 h和8 h（表2）。60~80 ℃水淬火20 min后，空气中放置2 h，进行160 ℃时效处理，保温时间6 h，后空冷。实验设备采用GWL-1200LB箱式电炉和时效保温炉。待热处理结束后，分别在铸件的同一位置进行取样测试。

表2 热处理方案

2 试验结果及分析

2.1 铝合金铸态组织

AlSi7Mg铝合金在铸态下基体呈现为初生α-Al组织，组织形貌较大程度趋向于较多的树枝晶形态。二次枝晶较为细小，并且二次枝晶间距较小，说明合金在较低铸造温度下发生凝固。另外，铸态组织中还存在少量的初生α-Al等轴晶组织，说明AlSi7Mg合金凝固时间较短，实现了较快速度的凝固，初生α-Al组织未来得及生长为较大的树枝晶组织。在枝晶臂间形成Al-Si共晶组织，铸态合金凝固时，在枝晶间形成Si2Mg、Si及含Fe的化合物等，呈片状无规律弥散分布，暗色的为含Fe相组织，深色的为共晶Si，共晶组织呈不规则的形态，如图3所示为典型的亚共晶组织形貌。

图3 AlSi7Mg铝合金铸态试样的显微组织

2.2 热处理后的铝合金组织

在160 ℃/6 h时效热处理条件下，研究了不同固溶温度对AlSi7Mg合金组织的影响，分别做了528 ℃、538 ℃、548 ℃以及保温4 h和8 h的固溶处理。从图4中看出，在528 ℃保温4 h，由于保温时间短，固溶温度低，合金中的共晶元素及强化相未充分溶解，未完全溶入固溶体中，在枝晶间仍存在少量片状的共晶成分；在538 ℃固溶保温后，共晶Si及强化相形状明显更加圆润，呈球状形态弥散分布，铸件在此固溶温度及保温时间下，淬火后得到了饱和程度更高的固溶体。

图4 不同固溶温度下AlSi7Mg铸造铝合金试样的显微组织

本合金中添加了Al-10Sr中间合金，Sr对共晶Si起到了变质的作用，通过热处理后对共晶成分的析出形貌转变也起到了重要作用；548 ℃固溶保温后部分共晶成分大小不一，变得不均匀，共晶Si尺寸呈现出较大的差别，说明在较高的固溶温度下共晶成分发生了部分溶解。

从528 ℃保温8 h的试样金相来看，仍然存在尺寸较大片状的共晶组织，形貌没有完全球状化，并未形成充分的过饱和固溶体，538 ℃/8 h保温后，共晶组织球化程度较高，548 ℃/8 h保温后，尺寸较小的球状共晶组织相对减少。从图5中看出，与固溶保温时间4 h的组织形态相比，固溶保温时间较长的合金共晶组织尺寸较大。固溶温度对Si相形态的影响要比保温时间的影响大得多。一般来讲，固溶温度每降低10 ℃相当于固溶保温时间减少了4~8 h。

图5 不同固溶温度下AlSi7Mg铸造铝合金试样的显微组织

2.2 热处理工艺对铝合金力学性能的影响

铸件热处理后的强韧性均得到了大幅度提升，528 ℃固溶处理条件下，铸件合金成分均未得到充分的固溶，因此抗拉强度和伸长率均较低。铸件从538 ℃固溶处理开始，铸件的强韧性均达到了较高的水准，548 ℃固溶处理的铸件伸长率均出现了下降的趋势。在同一固溶温度下，保温时间较长，那么热处理后试样的屈服强度均较小，其伸长率均较大，韧性较好。因此可以根据铸件的要求，通过固溶热处理工艺调控材料的屈强比以及伸长率。从表3的热处理结果看出，固溶热处理工艺对铝合金铸件的硬度影响不是很明显。

表3 热处理后性能

AlSi7Mg合金固溶强化的本质上是因为Si、Mg等合金元素的溶入使得α-Al基体组织发生晶格畸变，导致所产生的应力场和位错周围的应力场发生相互作用，形成柯氏气团，阻碍位错运动，提高铸造铝合金的强度。固溶温度越高，保温时间越长，溶质原子溶入越充分，过饱和度也越高，强化效果就越好。但是固溶温度过高或保温时间过长会导致组织粗大，致使强化效果降低。

3 结束语

（1）AlSi7Mg合金在538 ℃固溶效果较好，共晶Si形貌更加圆润，呈球状形态弥散分布；固溶温度对Si相形态的影响要比保温时间的影响程度大得多。

（2）AlSi7Mg合金在538 ℃/8 h+淬火+160 ℃/6 h热处理状态下，材料的综合性能达到了较高的水平，若材料的韧性满足产品要求，可以降低固溶热处理的保温时间，以提高热处理效率。

作者：
吴亮
广东工贸职业技术学院 实训中心
柯华波
广汽埃安新能源汽车有限公司
周红云
广东工贸职业技术学院 机电工程学院
肖红军
佛山科学技术学院 机电工程与自动化学院

本文来自：铸造杂志，《压铸周刊》战略合作伙伴