原標題：固溶時間對半固態壓鑄 Al-Si-Fe-Mg 合金組織與性能的影響

Al-Si合金具有高比強度、良好的耐腐蝕性、耐磨性和鑄造性能，在汽車、航空航天和通信領域中應用廣泛。在眾多成形技術中，高壓壓鑄成形是Al-Si合金最有效的加工方式之一。然而，高壓壓鑄件中常存在粗大的枝晶組織和氣孔缺陷，降低了鑄件的力學性能和導熱性能。由于氣孔缺陷的存在，高壓壓鑄件無法通過熱處理來進一步提高性能。與高壓壓鑄技術相比，半固態壓鑄技術在解決上述問題上具有一定優勢。半固態壓鑄技術的關鍵在于能制備良好球狀晶的半固態漿料。目前，半固態漿料的制備方法主要有機械攪拌法、電磁攪拌法、分流匯合澆道法和蛇形流道澆注法等。這些方法均可以制備具有球狀初生固相的半固態漿料，但粘料和制漿效率低等問題限制了其在工業領域上的應用。研究表明，在激冷和流動剪切作用下，傾斜板法在解決粘料問題的同時，還可高效地制備出半固態漿料。為進一步提高半固態漿料的質量，自主設計了剪切、振動耦合亞快速凝固制漿裝置，其中包括冷卻流道和振動系統。冷卻流道內部通有冷卻循環水，可以提供激冷作用，有利于異質形核發生。振動系統提供剪切作用力，不僅可以解決粘料問題，還會促進溶質擴散，導致冷卻板表面晶核游離、增殖，進而提高晶粒的圓整度、改善晶粒大小。

隨汽車、航空航天和通訊領域的發展，對Al-Si合金鑄件綜合性能的要求增加。熱處理是提高合金性能的常用方法。研究者研究了固溶溫度對半固態壓鑄AlSi9Mg合金組織性能的影響，結果發現，隨著固溶溫度增加，初生α-Al晶粒直徑先減小后增加，合金的強度先提高后降低。當固溶溫度為535 ℃時，合金的力學性能理想，其抗拉強度為277 MPa，伸長率為3.9%。CHEN Z Z等研究了T6熱處理對半固態壓鑄A356合金性能的影響，發現與鑄態相比，T6態合金的抗拉強度提高了約30%。還有研究者研究了T6熱處理對半固態壓鑄Al-30Si合金力學性能的影響，發現經過T6熱處理，合金的抗拉強度從234 MPa提高至278 MPa。然而，固溶時間對剪切、振動耦合亞快速凝固半固態壓鑄Al-Si合金組織與力學性能影響的研究報道很少。

因此，本研究以Al-Si-Fe-Mg合金為對象，采用剪切、振動耦合亞快速凝固制漿與壓鑄技術，制備半固態壓鑄拉伸試樣，并研究固溶時間對其組織和力學性能的影響，進而獲得優化的固溶處理參數，為空天、汽車、通信領域高性能鑄件的制備提供參考。

圖文結果

原材料采用Al-Si-Fe-Mg合金。通過化學分析方法測試合金的實際成分，結果見表1。首先，將合金在CEM-150型工業熔煉爐中加熱至700 ℃；當熔體完全熔化后，降低熔體溫度至670 ℃，然后對熔體進行除氣、除渣處理，保溫30 min。通過給湯勺將熔體澆注到剪切、振動耦合亞快速凝固制漿裝置的錐型流道上，熔體沿著錐型流道流入壓鑄機壓室，壓射壓力為35 MPa，壓射速度為2.8 m/s，完成壓鑄成形，獲得半固態壓鑄拉伸試樣（?10 mm×170 mm）。對拉伸試樣進行固溶處理，固溶溫度為535 ℃，固溶時間分別為0.5、1、2和4 h，并對固溶處理后的拉伸試樣進行水淬。

表1 Al-Si-Fe-Mg合金的實際成分(%)

圖1為半固態壓鑄Al-Si-Fe-Mg合金的顯微組織、EDS分析、EPMA組織及Fe含量。

圖2為不同固溶時間處理的半固態壓鑄Al-Si-Fe-Mg合金的EBSD組織。可以看出，不同固溶時間處理的合金組織中的α-Al晶粒均由大尺寸的初生α1-Al晶粒和小尺寸的二次凝固α2-Al晶粒組成。基于EBSD結果，對初生α1-Al晶粒和二次凝固α2-Al晶粒的直徑和形狀因子進行統計，見圖3。

圖1 半固態壓鑄Al-Si-Fe-Mg合金的顯微組織、EDS分析EPMA和Fe含量

圖2 不同固溶時間下半固態壓鑄Al-Si-Fe-Mg合金的EBSD結果

圖3 固溶時間對半固態壓鑄Al-Si-Fe-Mg合金顯微組織的影響

圖4為固溶處理后半固態壓鑄Al-Si-Fe-Mg合金的SEM組織。可以看出，當固溶時間為0.5 h時，共晶Si相由短棒狀以及顆粒狀共晶Si相組成，共晶Si相出現頸縮現象，頸縮的共晶Si相發生溶斷并破碎成小的共晶Si相，見圖4a。當固溶時間增加至1 h時，共晶Si相為顆粒狀形貌，見圖4b。隨著固溶時間繼續增加，顆粒狀共晶Si相長大，見圖4c和圖4d。對比共晶Si相的等效直徑和形狀因子發現，當固溶時間從0.5 h增加至4 h時，共晶Si相的等效直徑先減小后增加，形狀因子持續增大，見圖5。

圖4 不同固溶時間下半固態壓鑄Al-Si-Fe-Mg合金的SEM組織

圖5 不同固溶時間處理對合金中共晶Si相的等效直徑和形狀因子的影響

圖6為不同固溶時間下半固態壓鑄Al-Si-Fe-Mg合金的EPMA組織。基體中溶質原子的固溶度分析結果見表2。結果表明，當固溶時間為0.5 h時，部分Si和Mg元素溶于基體，Cu元素幾乎完全溶于基體。隨著固溶時間延長至1 h時，Si和Mg元素在基體中的固溶度增加。隨著固溶時間繼續延長，Si和Mg元素在基體中的固溶度保持不變。

圖7為不同固溶時間下半固態壓鑄Al-Si-Fe-Mg合金的工程應力-應變曲線。可以發現，隨著固溶時間從0 h延長至4 h，合金的抗拉強度、屈服強度和伸長率均先增加后降低。當固溶時間為1 h時，合金的力學性能最優，其抗拉強度、屈服強度和伸長率分別為320.1 MPa、224.2 MPa和13.3%。

圖6 不同固溶時間下半固態壓鑄Al-Si-Fe-Mg合金的EMPA組織

表2 Si、Mg和Cu元素在基體中的固溶度

圖7 不同固溶時間下半固態壓鑄Al-Si-Fe-Mg合金的工程應力-應變曲線

結論

（1）剪切、振動耦合亞快速凝固制漿技術與壓鑄技術進行一體化銜接形成半固態壓鑄技術。半固態壓鑄Al-Si-Fe-Mg合金拉伸試樣的組織由球狀形貌的初生α1-Al晶粒和二次凝固α2-Al晶粒、共晶Si相和β-Al5FeSi相組成。

（2）隨著固溶時間從0 h延長4 h，初生α1-Al晶粒的平均晶粒直徑從26.98 μm增至31.96 μm，二次凝固α2-Al晶粒的平均晶粒直徑從6.54 μm增至7.71 μm。同時，溶于基體的Si和Mg固溶原子濃度先增大后保持穩定，共晶Si相先后發生頸縮、斷裂、球化和粗化。

（3）當固溶時間從0 h延長至4 h時，半固態壓鑄Al-Si-Fe-Mg合金的力學性能先增加后降低。當固溶時間為1 h時，合金力學性能最佳，其抗拉強度、屈服強度和伸長率分別為320.1 MPa、224.2 MPa和13.3%，這主要與固溶原子的固溶度增加和顆粒狀共晶Si相形成有關。

《固溶時間對半固態壓鑄 Al-Si-Fe-Mg 合金組織與性能的影響》

劉巖1 陳宗濤1 高民強2 何建冬1 管仁國2

1. 大連長之琳科技股份有限公司；2. 大連交通大學連續擠壓教育部工程研究中心

本文轉載自：《特種鑄造及有色合金》