原标题：Si、Mg元素及时效处理对 Al-Si-Mg合金组织及性能影响

铝合金因其优异的高导电性、高比强度及耐腐蚀性特性成为铜材在电缆、电机等领域的轻量化替代材料。高导电铝合金通常为工业纯铝、1xxx和3xxx系铝合金，虽具有优异导电性（36 MS/m），但抗拉强度仅为50 MPa，显著限制高导电铝合金在承受较高载荷场景中的应用，如电动汽车中的牵引电机、转子及逆变器等零部件。目前，国内外者通过添加合金元素提高导电铝合金的力学性能，但会显著降低金属材料的导电性能，如添加1%（质量分数，下同）的Sc、V、Mn或Cr元素可导致电导率下降28%~52%。特斯拉公司研发的高导电铸造铝合金包括Al-1Si-0.4Mg、Al-3.6Si-0.4Mg及Al-5.3Ni-0.35Fe等，其屈服强度达到90~160 MPa，电导率为27.26~30.74 MS/m。

因此，如何实现强度与导电性的协同增强成为亟待解决的问题。金属导电性能的衰减机制主要源于电子散射效应，Drude-Sommerfeld理论指出，自由电子在定向迁移过程中遭遇的晶格缺陷（如位错、固溶原子及第二相界面）会显著增加散射概率。金属中加入合金元素会产生具有晶格畸变的固溶体，导致电子在传输过程中发生散射，降低电子的平均自由程，从而降低电导率。合金元素析出形成第二相后，第二相与基体的共格关系不同也会导致晶格畸变，降低电导率，某些粗大第二相（如β-AlFeSi相）甚至会割裂基体，造成局部应力集中并产生微观裂纹，从而引起自由电子的散射并导致电导率降低。

研究表明，时效处理能够增强合金的强度、硬度及电导率，研究发现，200 ℃时效处理8 h后轧制Al-Cu-Mg合金电导率提高了2.5%。研究发现，120 ℃时效处理18 h后Al-Zn-Mg合金电导率比热轧态提高了约10%并稳定在峰值。研究发现，180 ℃时效24 h后Al-Mg-Si合金的电导率比固溶态合金提高了9.61%。研究了T6热处理对挤压态Al-1Si-0.6Mg-0.2Fe合金的影响，证明回归再结晶有利于挤压态铝合金晶粒增大，减小晶界对电导率的阻碍，其电导率为33.1 MS/m，抗拉强度为247.6 MPa。此外，时效过程中固溶原子会析出并形成纳米级弥散相，降低固溶原子导致的晶格畸变的程度，从而降低电导率。

如何调控合金成分、时效工艺，在提升高导电铸造铝合金材料强度的同时保障其高电导率方面仍需进一步研究。本研究设计并制备不同Si、Mg含量的Al-Si-Mg合金，在保障铝合金材料高电导率的基础上尽可能提升合金材料的强度，研究时效处理工艺及不同Si、Mg含量对Al-Si-Mg合金性能的影响，探讨Al-Si-Mg合金电导率及强度协同提升机理，旨在为高电导率铝合金的研发和应用提供参考。

图文结果

采用高纯Al锭（99.99%，质量分数，下同）、Al-20Si合金锭、纯镁锭为原料，将称好的高纯Al锭、Mg锭及Al-20Si合金锭放入石墨坩埚电阻炉中加热至720 ℃直至完全熔化，加入精炼剂并通入高纯氩气进行除气，静置30 min，浇注至预热到150~180 ℃的Y型模中，见图1。

表1为采用Thermo Fisher ARL 4460直读光谱仪测得的合金具体成分，合金中Fe为杂质元素。试验合金按照Si、Mg元素含量分类分别编号A、B、C、D，同一成分合金时效前后分别表示为A1、A2，以此类推。每个铸锭取3个拉伸试棒，电导率测试及显微组织观察试样取铸锭中间位置，见图1。

图1 铸件及力学拉伸试样尺寸示意图

表1 不同Mg、Si含量的Al-Si-Mg合金(%)

图2为4组试验合金在250 ℃时效12 h内的电导率变化曲线。结果表明，短时间时效处理后Al-Si-Mg合金的电导率快速上升，250 ℃时效2 h左右达到峰值电导率的85%（图2中表示为d85），随后逐渐稳定。4种合金中，Al-1Si-0.1Mg、Al-1Si-0.05Mg合金时效后电导率的提升幅度更大。当Si添加量为1%时，合金电导率最终趋于34.8 MS/m，比铸态下Al-1Si-0.1Mg、Al-1Si-0.05Mg合金电导率分别提升了21.2%和17.1%。相比之下，Al-0.5Si-0.1Mg、Al-0.5Si-0.05Mg合金时效12 h后电导率稳定在35.1 MS/m，较铸态提升了6.8%~8.0%。

铸态及250 ℃×2 h时效处理后4种合金的力学性能见图3。可以看出，当Mg含量相同时，合金A（Al-1Si-0.1Mg）比合金C（Al-0.5Si-0.1Mg）铸态的抗拉强度提高了20.5%，合金B（Al-1Si-0.05Mg）比合金D（Al-0.5Si-0.05Mg）铸态的抗拉强度提高了14.1%。时效处理后，合金A、B抗拉强度提升，分别提高了5.2%和15.3%。相反，合金C、D时效处理后抗拉强度有所下降，分别降低了8.1%和4.8%。4组合金铸态下的屈服强度随合金元素含量降低而降低。时效处理2 h后，4种合金屈服强度均提升，其中合金A时效2 h后提升幅度最大，提高了79.7%，合金B、C、D时效处理后屈服强度的提升幅度分别为63.6%、35.1%以及12.0%。

图2 时效处理对4种Al-Si-Mg合金电导率的影响

图3 250 ℃×2 h时效前后4种合金的力学性能

4种合金250 ℃时效2 h后电导率提升至峰值电导率的85%左右，因此选择250 ℃×2 h时效处理试样与铸态试样进行对比，结果见图4。可以看出，当Si含量为1%时，铸态合金中存在两种AlFeSi析出相，即点状的α-AlFeSi相及针状、短片状的β-AlFeSi相，高倍SEM显示点状AlFeSi相内部呈现骨骼状结构（见图4i），其EDS定量分析表明，析出相的Fe、Si摩尔比接近1∶1，部分研究认为该相为Al9Fe2Si2相。由于材料中Fe含量极少，仅为0.01%，析出含Fe相体积分数低于0.4%。图5为4种Al-Si-Mg合金的DSC曲线及析出相的JMat-Pro计算结果。

图4 4种合金SEM图

图5 4种合金的DSC曲线及析出相的JMat-Pro计算结果

不同Si含量对合金时效处理后力学性能有较大影响。Si含量为1%的合金（合金A、B）时效处理后强度提升明显，Si含量为0.5%的合金（合金C、D）时效处理后抗拉强度降低，而屈服强度提升相对较小。为探明不同Si 含量合金力学性能变化内在机制，对相同Mg含量的两组合金时效前后显微组织进行了TEM观察，见图6。可以看出，铸态Al-1Si-0.05Mg合金在晶界处有较多纳米级Si析出相，晶粒内部则有少量纳米级Si析出相（图6a）；时效处理后，晶内点状纳米级析出相增多且均匀分布，直径由7.8 μm增加至52.2 μm，面积分数由增加0.3%至1.0%，时效处理后还出现少量纳米级针状相Mg2Si相，长度为200~1 000 nm（图6b）。时效处理前，纳米级析出相的尺寸和数量与铸态Al-1Si-0.05Mg合金相近（见图6c），时效处理后，Mg2Si相和Si相增多（见图6d），但析出数量比Al-1Si-0.05Mg少。结合力学性能测试结果可以得出，Al-0.5Si-xMg合金时效前后抗拉强度下降的原因在于当合金内部析出的相更少时，析出强化不足以弥补固溶强化减弱造成的强度损失。

图7为250 ℃时效后Al-1Si-0.05Mg合金的HAADF-STEM 和元素分布图像。可以看出，纳米颗粒主要为Si相以及少量Mg2Si析出相。测量得到上述两种析出相宽度为30~110 nm。Mg2Si及Si的纳米级析出相均为高硬度的析出相，两者共同提高了时效处理后合金的强度。

图6 时效前后Al-1Si-0.05Mg合金及Al-0.5Si-0.05Mg合金TEM明场相

图7 250 ℃时效后Al-1Si-0.05Mg合金的HAADF-STEM 和元素分布图像

洛伦兹金属经典电子理论认为金属中存在自由电子，当存在外部电场时，自由电子会发生定向移动，产生电流。在理想晶格中，原子的排列是完全规则的，自由电子的运动是无阻碍的。然而，原子热振动与晶体缺陷均会导致自由电子发生散射，前者引起的电阻被称为本征电阻，其影响因素只有温度，后者产生的电阻为残余电阻，对其调控是改善材料的导电性能的主要方式。

图8为固溶原子的析出对金属电导率的影响示意图，其中Si相具有面心立方（fcc）晶格，晶格参数为aSi=0.546 nm，图中为深色原子，铝同样具有fcc晶格，晶格参数为aAl=0.403 nm，图中表示为浅色原子，合金中析出的Si相与Al基体之间为半共格结构。当合金中固溶原子较多时，晶格畸变程度更大，自由电子更容易发生散射，当固溶原子析出后，基体对自由电子的散射程度大幅改善。

图9为4种合金时效前后的XRD图。可以看出，Al-1Si-0.1Mg合金及Al-1Si-0.05Mg合金时效后的<111>Al、<200>Al峰和<311>Al峰均向小角度方向偏移，证明Al基体晶格大小发生变化，时效过程导致的固溶原子析出从而改变了晶格的畸变程度。Al-0.5Si-0.1Mg合金及Al-0.5Si-0.05Mg合金时效后峰未发生偏移，证明这两种合金并未因为时效处理而改变晶体结构。图2中Al-1Si-0.1Mg、Al-1Si-0.05Mg合金时效后电导率提升较少，原因在于Al-1Si-0.1Mg、Al-1Si-0.05Mg合金中的固溶态Si元素较少，时效后元素析出也较少，导致电导率提升较少。

图8 固溶原子析出前后对晶格及自由电子的影响示意图

图9 4种合金的XRD图

图10为4种合金电导率及晶格常数的对比示意图。可以看出，A、B合金时效后晶格常数提升幅度较大，分别由0.403 6、0.404 0 nm增加到0.406 2、0.405 9 nm；Al-0.5Si-0.1Mg合金时效后晶格常数有小幅提升，由0.405 7 nm增加到0.406 2 nm，Al-0.5Si-0.05Mg合金时效后晶格常数小幅下降，证明合金中晶格畸变程度受到第二相析出的影响较大。时效后固溶原子析出形成更多第二相，降低了合金畸变程度，减小了自由电子的散射，提高了电导率。当合金成分不足以形成第二相时，时效处理对合金电导率影响程度大幅下降。Al-1Si-0.1Mg合金和Al-1Si-0.05Mg合金中Si相在时效处理后析出较多，因此晶格常数变化幅度较大，导致电导率有较大提升。

图10 Al-Si-Mg合金时效前后电导率与晶格常数

结论

（1）时效处理短时间内能够使Al-Si-Mg合金的电导率快速上升，随后逐渐稳定。4种合金均在250 ℃时效处理2 h左右时电导率达到峰值电导率的85%。

（2）Al-1Si-xMg合金时效处理后能够提高合金的抗拉强度和屈服强度，尤其能够大幅提升合金屈服强度，相反Al-0.5Si-xMg合金时效处理后强度有所降低。时效处理后4种合金的伸长率均有所下降。

（3）Al-Si-Mg合金在时效处理后能够同时提高其导电性能和力学性能，原因在于Al-Si-Mg合金时效后能够析出纳米级Si相和Mg2Si相两种硬脆相，这些纳米相的形成提高了合金的强度。同时，析出相会消耗固溶在Al晶格中的Si、Mg元素，有效降低合金的晶格畸变程度，减小自由电子的散射，提高电导率。

（4）Al-1Si-0.1Mg合金在250 ℃直接时效处理2 h后电导率可达到33.5 MS/m，屈服强度达到83.4 MPa，在保持较高强度及电导率的前提下有效降低生产成本。

《Si、Mg元素及时效处理对 Al-Si-Mg合金组织及性能影响》

张锴昕1 周玉立2 刘士渊3
张文达1 白培康1

1.中北大学材料科学与工程学院；2. 中铝材料应用研究院有限公司苏州分公司；3. 山西中兵铸造有限公司

本文转载自：《特种铸造及有色合金》