随着汽车工业的迅速发展，轻量化、高强化需求日趋强烈，传统低压铸造A356合金性能无法满足需求，转而开发轻薄、高强的压铸、挤压铸件。另外,在高强度型材的冲压、机加产品也有部分应用，但仅在少量高端车型中。针对这一问题，基于A356铝合金，通过添加Cu和Ce、La混合稀土，研究了RE含量对挤压铸造AlSi7Cu4MgMn合金组织和性能的影响，为开发可用于压力铸造的高强度铸造铝合金材料提供参考。

图文结果

试验原材料为A356铝合金铸锭，采用Al-10Cu、Al-20RE、Al-10Mn中间合金配制，其化学成分见表1。采用井式电阻炉和石墨坩埚熔炼，首先加入A356合金锭,熔化并升温至700℃后,按比例加入Al-10Cu、Al-20RE、Al-10Mn中间合金，全部熔化后搅拌10min，静置20min后，升温至730℃。采用石墨转子除气机除气15min，撇渣后静置15min，随后浇注。试样在6500kN挤压铸造机上直接成形，挤压铸造温度为700～710℃，模具预热温度为200～220℃，压射比压为25MPa，压射时间为6s,保压时间为5s。模具及试样示意图见图1，模具流道及内浇口设计较大，减少了充型阻碍，保证熔体充型过程的平稳，避免卷气，渣包位于充型末端。试棒切割后进行T6热处理，热处理工艺为:495℃×5h+525℃×4h双级固溶处理+180℃×7h时效处理。从图1b标记A处截取试样，打磨、抛光和腐蚀后采用TMM-240金相显微镜进行组织观察；采用D8ADVANCE型X射线衍射仪对合金进行物相分析，试样扫描角度为20°～90°；采用X650型扫描电镜进行微观组织及物相分析；力学性能测试在WDW-555微机控制电子万能试验机上进行，拉伸速率为3mm/min，载荷为50kN。

表1 AlSi7Cu4MgMnRE合金的化学成分(%)

图1 挤压铸造模具及试棒示意图

1.直浇道 2.横浇道 3.内浇口 4.渣包

(a)w(RE)=0 (b)w(RE)=0.1% (c)w(RE)=0.25% (d)w(RE)=0.4%

图2 不同RE含量下AlSi7Cu4MgMn合金的成形效果

图2可以看出，未添加RE时合金成形效果较差，铸棒上肉眼可见较大裂纹和冷隔，合格率只有20%(见图3)；随RE含量的增加,成形性能逐渐改善，RE含量为0.25%和0.4%时性能最好，合格率达到100%(见图3)，表明RE的加入可以很好改善合金成形性，大幅度降低热裂倾向。图4为不同含量RE的AlSi7Cu4MgMn合金的XRD图谱。可以看到，添加RE后合金相组成没有明显变化，4种合金相组成均为α-Al、共晶Si及Al2Cu相，但未看到稀土相的衍射峰，这可能是因为稀土含量较低，XRD未能检测出。

图3 不同RE含量下AlSi7Cu4MgMn合金的合格率

图4 不同RE含量下AlSi7Cu4MgMn合金的XRD图谱

图5 不同RE含量下AlSi7Cu4MgMn合金的SEM照片

图5为不同RE含量下AlSi7Cu4MgMn合金的SEM，其中灰色为α-Al。可以看出，未添加RE元素的合金中共晶Si呈点棒状分布于基体上，同时可以观察到弥散分布的暗色块状相(见图5a)和呈聚集态分布的亮色小块状相。这两种相的EDS能谱分析见表2。可知暗色块状相(A点)为AlSiMnFe相，亮色小块状相(B点)为Al2Cu相，与合金XRD图谱符合。这种粗大的块状相在合金变形过程时，在棱角处易产生应力集中成为裂纹源，降低合金性能；加入RE后Fe相形态发生变化，由块状转变为骨骼状聚集分布(C点)，Al2Cu相逐渐细化，呈小块聚集态分布(D点)，同时相组分发生变化，形成多元强化W-AlxCu4Mg5Si4相，主要含Al、Cu、Mg、Si元素，且含少量RE，并与部分Fe相交错在一起。

表2 图5中A～D点EDS分析

图6 不同RE含量下AlSi7Cu4MgMn合金的力学性能

结论

(1)RE可显著提高AlSi7Cu4MgMn合金的铸造性能，使其成形合格率从20%提升至100%。

(2)RE对AlSi7Cu4MgMn合金中富Fe相及初生Al2Cu相具有很好的细化作用，RE加入量为0.25%时，合金中富Fe相及Al2Cu相由大块聚集形态转变为短棒状弥散分布。

(3)RE可以很好地提升AlSi7Cu4MgMn合金的力学性能，加入量为0.25%时，合金抗拉强度、屈服强度和伸长率分别达到430MPa、392MPa和6.8%，较未添加RE的分别提高了22%、31%和13%。但过量添加RE会导致合金中Fe相聚集长大，组织中出现粗大树枝状Fe相，严重割裂基体，降低合金的性能。

本文作者：

张亚琴
太原工业学院机械工程系
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嘉瑞科技（惠州）有限公司

本文来自：《特种铸造及有色合金》杂志，《压铸周刊》战略合作伙伴