原标题：挤压铸造免热处理Al-5Mg-2Si-Mn-xFe合金的凝固行为与力学性能

汽车质量每减轻10%，可降低6%～8%的燃油消耗，减少4%的CO2排放量。铝合金的使用可以明显减轻汽车质量、提高燃油利用率，从而减少温室气体的排放。目前，国内外应用比较广泛的铸造铝合金主要是Al-Si系合金，随着新能源汽车的快速发展，特别是一体化压铸技术的应用，推动了免热处理铝合金的研究。免热处理铸造铝合金以Al-Mg-X系、Al-Si-X系和Al-Mn-X系合金为主，其中Al-5Mg-2Si-Mn合金是一类非常重要的免热处理铝合金。

Al-5Mg-2Si-Mn合金主要依靠Mg元素形成的第二相Mg2Si，具有免热处理特性和较好的抗应力腐蚀性能，因此被广泛应用于汽车构件，如内门板和减震塔等。Mg2Si相的形貌对Al-5Mg-2Si-Mn合金的力学性能有显著影响。不同元素的添加会导致Mg2Si形貌的变化，从而进一步影响合金的力学性能。虽然已有研究者统计了不同元素种类与含量下，Al-5Mg-2Si-Mn合金中Mg2Si层片间距、晶粒尺寸、纵横比等形貌数据，但对于Mg2Si形貌变化的机理仍缺乏深入分析。

研究者发现，Mg含量增加会使共晶Mg2Si相转变为初生Mg2Si相，从而显著改善合金的力学性能。在同时增加Si与Mg含量的情况下，初生Mg2Si相的形貌由八面体多边形演化为具有发达二次枝晶壁的树枝晶形貌。除了主要合金元素外，一些研究者还探讨了微量元素对Mg2Si形貌的影响。研究发现，在Al-Mg-Si合金中添加微量Ni时，Al-Mg2Si的共晶层片间距增大，使得屈服强度略有提高，但伸长率显著下降。通过添加Sc、Zr、Cr元素，发现Mg2Si层片间距和平均长度减小，微量元素形成的第二相共同提高了合金的力学性能。当同时添加0.2%的Sc与0.1%的Zr时，合金的抗拉强度达到353 MPa，屈服强度为206 MPa，伸长率为10.2%。通过添加Bi元素并进行熔体超声波处理，使Mg2Si形貌由迷宫状薄层转变为含Bi合金的薄珊瑚纤维，抗拉强度提高至301 MPa，屈服强度为197 MPa，伸长率为5.5%。

在铝合金回收过程中，Fe常被视为杂质元素。Fe元素在铝合金中的最大溶解度仅为0.05%，超过该值后，Fe会以富Fe相的形式存在，如Al5FeSi、Al3Fe、Al8Fe2Si等。富Fe相的高硬度和脆性易导致应力在铝合金中集中和裂纹，从而显著降低铝合金的塑性。当前的研究主要集中在富Fe相的形成与转变。通过同步辐射X射线观察了富Fe相的完整成形过程。也有研究者通过添加Mn、Co、Cr、Be、Sc等元素，改变富Fe相的种类和形貌，从而减轻其对基体的割裂作用。目前的研究主要关注富Fe相的类型、形成特点及其对Al-Si、Al-Cu系合金组织和性能的影响。然而，针对免热处理的Al-5Mg-2Si-Mn合金，Fe含量对其组织和性能的影响研究报道相对较少。

因此，本研究以免热处理Al-5Mg-2Si-Mn合金为对象，采用挤压铸造制备不同Fe含量的Al-5Mg-2Si-Nm-xFe含金，探讨Fe在铝合金凝固过程中对Mg2Si形貌的影响及其对合金力学性能的作用，旨在为相关研究提供参考。

图文结果

表1为Al-5Mg-2Si-Mn合金的化学成分。合金设计化学成分见表2。将Al-20Si、Al-20Fe、Al-10Mn中间合金及工业纯铝（质量分数为99.99%）置入SX3-4-10A型电阻丝热处理炉坩埚中，升温加热至780 ℃熔化保温2 h，后降温至720 ℃加入纯Mg（质量分数为99.9%），随后加入Al-5Ti-B 中间合金进行晶粒细化，保温20 min 后升温至700 ℃，扒渣后保温。在2 000 kN立式四柱液压机上进行75 MPa的挤压铸造，模具预热温度为250 ℃，铸锭尺寸为ϕ70 mm×90 mm。选择距离铸锭中心25 mm区域制作金相试样，砂纸打磨到7 000目，采用氧化镁熔体抛光。使用Thermo-Calc （TC）软件中的铝合金8.0数据库对多合金体系进行热力学相图计算，以研究Fe元素对合金平衡相的可能影响。利用 Leica DMI 5000M 金相显微镜观察试样的金相组织。利用Image Pro Plus测量了第二相平均面积、层片间距等参数。为了获得准确的平均值，选取10张放大倍数为500倍的金相显微镜照片，在统计Mg2Si时至少测量70个视场。并使用同步辐射断层扫描技术测量了富Fe相三维形貌数据。同时进行SEM与TEM试验，并测量试样的力学性能。标准室温拉伸试样按照GB/T T228.1-2010试验标准加工、取样位置与拉伸试样尺寸见图1拉伸试验在岛津万用材料试验机上进行，拉伸速率为0.3 mm/min。

表1 Al-5Mg-2Si-Mn合金的化学成分(%)

表2 不同Fe含量的Al-5Mg-2Si-Mn合金的实际化学成分(%)

图1 拉伸试样尺寸与取样位置

表3为不同成分与工艺下合金中富Fe相能谱分析结果。压力下成形Al-5Mg-2Si-Mn-0.06Fe合金的典型微观结构见图2。根据SEM/EDX定量分析与XRD结果，结合表3可知，合金的微观组织主要由α-Al、黑色的Mg2Si相以及白色的Al15（Mn，Fe）3Si2组成。α-Al相呈现为树枝状，Mg2Si相则为细小的纤维状和颗粒状结构，Al15（Mn，Fe）3Si2呈现颗粒状且存在于共晶区域。

为了更好地区分各合金中存在的基体与第二相种类，采用透射电（TEM）对基体与第二相进行了电子衍射分析，结果见图3。可以看出，4号合金由α-Al、Mg2Si、Al15（Fe，Mn）3Si2组成，这与SEM-EDS结果分析一致。

表3 不同成分与工艺下合金富Fe相能谱分析结果

图2 压力下成形Al-5Mg-2Si-Mn-0.06Fe合金的SEM和EDX分析

图3 0.5%Fe合金基体与第二相透射电子照片与衍射斑点

不同Fe含量下的挤压铸造Al-5Mg-2Si-Mn合金的微观组织见图4和图5。SEM和EDX定量分析结果表明，当Fe含量增加时基体与主要第二相的种类并未改变，仍然为α-Al、Mg2Si、Al15（Mn，Fe）3Si2。随着Fe含量增加，白色的Al15（Mn，Fe）3Si2相尺寸增大，α-Al并无明显变化，Mg2Si相形貌出现明显变化。

图6为不同Fe含量下Al-5Mg-2Si-Mn合金中Al15（Mn，Fe）3Si2相和Mg2Si相的平均粒径和体积分数。可以看出，随着Fe含量增加，Al15（Mn，Fe）3Si2的平均粒径和体积分数均有所增加，且Al15（Mn，Fe）3Si2相由细小颗粒状逐渐转变为汉字状。不同Fe含量的Al-5Mg-2Si-Mn合金的力学性能见图7。

图4 不同Fe含量Al-5Mg-2Si-Mn合金的微观组织

图5 不同Fe含量Al-5Mg-2Si-Mn合金SEM组织

图6 不同Fe含量Al-5Mg-2Si-Mn合金中的第二相形貌统计

图7 Al-5Mg-2Si-Mn-xFe合金的力学性能

Al-Mg2Si共晶属于层片共晶，层片状共晶生长过程中Mg2Si的生长速度即Mg2Si界面的迁移速度。层片共晶的层片间距取决于共晶长大速度，共晶的长大速度R由原子扩散速度决定，同时共晶层片的最小间距由热力学条件决定，根据有关研究数据，Mg2Si层片间距与生长速度关系式为：

根据层片间距得出不同Fe含量下Mg2Si相的生长速度，见表4。

为进一步探索Fe对合金微观组织的影响，使用TC计算软件获得了合金的凝固相图，结果见图8。试验合金中富铁金属间化合物的形成与相图计算结果基本一致，但试验合金中随着Fe含量达到0.5%时也未观察到Al5FeSi相，可能是因为挤压铸造的压力让实际凝固曲线偏离了相图计算的凝固曲线，导致Al5FeSi的开始形成浓度增加。

表4 不同Fe含量Al-5Mg-2Si-Mn合金中Mg2Si凝固生长速度

图8 利用TC软件计算的Al-5Mg-2Si-Mn-xFe的凝固相图

图9为Al-5Mg-2Si-Mn-0.5Fe合金的SEM形貌及元素面分布。一方面可以看出，随着Fe含量增加，合金中先析出相始终为Al15（Mn，Fe）3Si2相，但初始凝固的Al15（Mn，Fe）3Si2相不能消耗合金中所有的Fe，因此Fe参与共晶凝固，存在于Al-Mg2Si共晶区域中，并出现富Fe相与Mg2Si相重叠的现象。

另一方面，未能在Mg2Si形成前凝固的Fe原子被排挤到共晶熔体中。杂质元素Fe的存在使界面迁移率下降，原因在于Fe原子会在晶界上吸附，降低界面迁移率。界面迁移过程会拖拽溶质原子一起运动，而Fe原子的运动受到熔体中扩散速度的限制，因此阻碍了界面迁移，导致迁移率下降，从而降低了Mg2Si的生长速度。许多试验证明，合金中的微量杂质或溶质原子会使界面迁移率降低。随着Fe含量的增多，合金中富铁相的数量和尺寸逐渐增大，见图6a与图10，体积分数与粒子半径之比（f/r）也增加，见图11，这加剧了对Mg2Si生长的阻碍，导致Mg2Si层片间距随Fe含量的增加而增大，见表4。

图9 Al-5Mg-2Si-Mn-0.5Fe合金SEM及元素成分分布图

图10 不同Fe含量合金中富Fe相的三维形态

图11 Mg2Si层片间距和Al15（Fe，Mn）3Si2体积分数与粒子半径之比随Fe含量变化

Fe元素的加入对合金力学性能产生显著影响。不同含量的Fe元素加入会导致合金中第二相形貌的变化，进而引起力学性能的改变。Fe元素的加入会导致Mg2Si层片间距增大，而共晶组织的层片间距对合金的性能有着显著影响。一般而言，共晶组织层片间距越小，则合金的强度越高。

相较于Fe含量为0.06%的合金， Fe含量为0.5%的合金试样的解理面与解理台阶较大，见图12。

图12 不同Fe含量Al-5Mg-2Si-Mn合金的断口形貌

结论

（1）在75 MPa压力下，Fe元素的加入会导致Al15（Fe，Mn）3Si2形成，且随着Fe含量增加，Al15（Fe，Mn）3Si2相的体积分数和平均粒径也随之增加，Al15（Fe，Mn）3Si2存在于最后凝固的共晶区域。

（2）合金中Mg2Si的层片间距随着Fe含量的增加而增加。添加Fe后Mg2Si的生长速度减缓，Mg2Si层片间距增大。

（3）合金的强度和伸长率随着Fe含量的增加呈现下降趋势。Mg2Si层片间距显著影响合金的力学性能，Mg2Si层片间距越小合金抗拉强度与伸长率越高。

《挤压铸造免热处理Al-5Mg-2Si-Mn-xFe合金的凝固行为与力学性能》

李永圣 汤传尧 杨冬阳 陈静思
王智 刘乐华 张卫文

华南理工大学机械与汽车工程学院

本文转载自：《特种铸造及有色合金》