M n、Fe和Z r对A18Si0.8Mg0.5Cu合金组织和性能的影响

 朱颖晖，郝高峰，曹以恒，何立子

 （东北大学材料电磁过程研究教育部重点实验室，辽宁沈阳110819）

摘要：通过电导率和拉伸性能测试，并结合金相显微镜和扫描电镜组织观察等分析测试手段，研究了合金元素Fe、M n和Z r对高导热A18 Si0.8Mg0.5Cu合金的拉伸性能、热导率和微观组织的影响。结果表明，铸态合金中，当锰含量（质量分数，下同）由0. 1%增加至0.3%时粗大针状含Fe相减少而块状含Fe相增多，拉伸强度增加42.5 N/mm2，而热导率降低8 W/(m. K)；当铁含量南0.1%增加至0.5%时，铸态合金中针状含Fe相的数量和尺寸明显增大，拉伸强度提高7.8 N/mm2，而热导率降低3 W/(m．K)；加入0.1% Z r后，针状含Fe相的数量略有增加，拉伸强度降低18.8 N/mm2，而热导率降低7 W/(m．K)。当铸态合金在2000C4 h人工时效后，随锰含量增加，拉伸强度增加28.5N／mm2，而热导率降低了3 W/(m．K)；随铁含量增加，拉伸强度提高1 1.9 N／mm2而热导率降低3 W/(m．K)；加入0. 1%Z r后，拉伸强度降低1l.5 N／mm2而热导率降低了4 W/(m．K)。

  关键词：A18Si0. 8Mg0.5Cu合金；拉伸性能；热导率；合金元素

  中图分类号：TG146. 21文章编号：1007 - 7235( 2016) 03  - 0019 - 05 

A1-Si-Mg-Cu系合金具有密度小、比强度高、铸造性能良好、抗腐蚀能力强、力学性能好、热膨胀性能优及可焊性等特点，因此被广泛应用于航空航天、汽车、机械等行业。可用来生产形状复杂、壁薄、耐蚀、气密性好、导热性好、承受中高静载荷或冲击载荷以及在较高温度下工作的大、中、小型铸件，该系合金应用比例占全部铸造铝合金的70%以上。改变合金元素含量是提高A1-Si-Mg-Cu系合金性能的一个主要方法。

 通过改变合金元素含量的方法可获得具有高强度及高导热性能的A1-Si-Mg-Cu合金。钟建华等对6063铝合金进行研究，发现w( Mg)/w( Si)<1. 73时，合金具有较高的导热能力；w(Mg)/w(Si)1.73时，过量的Mg不仅会削弱Mg2Si强化效果，且会溶入铝基体中，使合金的热导率下降。Y．Zheng等研究发现A1-Si-Mg-Cu系合金在w( Cu)／w( Mg) =1的情况下主要形成Mg2Si，在w(Cu)/w(Mg)=3的情况下主要形成O相和Q相，而在相同w( Cu)/w( Mg)情况下高铜和高镁含量会促进形成O相和Q相，所以可以通过控制铜含量和w( Cu) /w(Mg)来控制主要金属间化合物的溶解相和析出相的形成，从而影响强度和延性。A．R．Far koosh等研究发现A1- Si-Mg-Cu系合金在300℃下，镁含量（质量分数，下同）由0. 3%增加至0.5%时，屈服强度和断裂强度增长30%和50%，伸长率下降了20%，在镁含量为0.5%时抗蠕变性能也得到显著提高。国内外对于A1-Si-Mg-Cu系合金的研究大多是关于镁、铜、硅含量及热处理方式对合金组织、性能的影响，关于其他元素对A1-Si-Mg-Cu系合金组织、性能影响的研究还不充分。本试验通过改变A18Si0. 8Mg0.5Cu合金的其他合金元素含量，采用电导率和硬度测试、金相显微镜和扫描电镜观察等分析测试手段，研究了合金元素Fe、M n和Z r对A18 Si 0.8Mg0.5Cu合金的力学性能和热导率的影响规律。

1  试验材料和试验方法

 试验合金成分中的主要元素Si、Mg、Cu的含量分别为8%、0.8%和0.5%，M n、Fe和Z r的不同含量配料见表1。所有试验合金均采用水冷铜模浇注。配制合金的原料采用质量分数为99.97%工业纯铝、99. 97%工业纯镁、99%工业纯硅、99. 99%高纯铜、铁含量为80%的铁剂、锰含量为80%的锰剂、A1-5%Z r中间合金。铸锭尺寸为200 mm x100 mm×25mm，浇注温度为720C。铸件使用HN101型数显电热鼓风干燥箱进行时效处理，时效温度为200℃，时效时间为4h。

 室温拉伸性能测试在AG-X拉伸试验机上进行，变形速率为6. 78 x10-4s-1，每个数据为3个试样的平均值。金相试样取自铸件横断面，研磨、机械抛光后不经化学腐蚀在Neophot21金相显微镜上观察金相组织。在SSX-550型扫描电子显微镜下进行断口观测。

 采用Sigma scope型电导仪测量电导率，由Wiede mann -Franz定律可知，根据下式可计算出热导率的值。

2  结果与讨论

2.1  拉伸性能及热导率

 添加不同锰含量的铸态和时效态的A18 Si 0.8Mg0.5 Cu0.1 Fe合金抗拉强度和热导率的变化如图1所示。铸态合金中，当w(M n)=0.1%时，抗拉强度为213.1 N／mm2，热导率为134 W/(m．K)；w( M n)=0.2%时，抗拉强度提高37.2 N／mm2，热导率几乎不变；w( M n)=0.3%时，抗拉强度仅增加了5.3 N/mm2，而热导率降低了7 W/(m．K)。时效合金中，抗拉强度普遍比铸态的要高60 N／mm2左右，随锰含量增加其变化趋势与铸态合金的基本一致；热导率普遍比铸态合金的高(20~30) W/(m．K)，但w( M n)=0.2%时，热导率达到了最低值152 W/(m．

K)。可见，随着锰含量增加，铸态合金及时效后合金的抗拉强度增加，热导率略有降低，而时效处理可显著提高合金的抗拉强度及热导率。综合比较，A18 Si0. 8Mg 0.5Cu0.1Fe0. 3Mn合金经时效处理后具有最佳的拉伸强度和热导率。

 表2为含0. 1% Fe、0.1%Fe+0.1% Z r和0.5%Fe的A18Si0. 8Mg0.5Cu0. 2Mn合金的抗拉强度及热导率。可见，铸态合金中，当w(Fe)=0.1%时，抗拉强度为242.5 N／mm2，热导率为133 W/(m．K)；当Fe含量增加到0.5%时，抗拉强度提高了3%，热导率降低了3 W/(m．K)。时效合金中，合金的抗拉强度比含0.1% Fe铸态合金的要高80.8 N／mm2，比0.1% Fe时效态合金的提高了4%；热导率普遍比铸态合金的高20 W/(m．K)，0.5%Fe合金的热导率降低了3 W/(m．K)。在A18S10. 8Mg0. 5Cu 0.2Mn0. 1Fe合金中加入0.1% Z r后，铸态合金的抗拉强度降低了11%，热导率降低了7 W/(m．K)。时效合金中，加入Z r后抗拉强度比0.1% Fe铸态合金要高57.4 N/mm2，比0.1% Fe时效态合金的降低了4%；热导率普遍比铸态合金的高20 W/(m．K)，加入Z r后热导率降低了4 W/(m．K)。

 以上结果表明，随着铁含量增加，铸态和时效态合金的抗拉强度提高，而热导率略有降低。加入0. 1% Z r会使铸态合金及时效后合金的抗拉强度和热导率略微降低。综合比较，A18Si0. 8Mg0.5Cu 0.5 Fe0. 2Mn合金经过时效处理后具有最佳的抗拉强度( 323.3 N／mm2)和热导率(149 W/(m．K)。

2.2金相组织分析

 图2为含0.1%、0.2%和0.3% M n的A18Si 0.8 Mg0.5 Cu0.1 Fe合金铸态和时效态的金相组织。图2a为铸态0.1% M n合金的金相组织，可见共晶硅呈网络状分布在铝基体上，这些共晶硅主要为细小共晶硅颗粒，但也有部分为较粗大的共晶硅片。同时可以观察到晶界和枝晶界上存在有大量针状含Fe相，其平均宽度为0.5μm~3μm，长度约为20μm～80 μm。随锰含量增加（图2b和c），铸态合金中的网络状共晶硅的分布更为细密，单位面积上硅颗粒的数量增多；同时针状含Fe相的数量显著减少，而相应的块状含Fe相的数量增多。经时效处理后（图2d、图2e和图2f），合金中共晶硅的数量减少，共晶硅颗粒长大，同时共晶硅的边缘发生了圆整化：而针状含Fe相与铸态合金相比显著减少，块状含Fe相数量相对增多。由上可知，在铸态合金中，锰含量的增加和固溶处理均可以减少合金中针状含Fe相的数量，而促进块状含Fe相的生成，从而使合金的抗拉强度明显增加。Al-Si-Mg-Cu系合金中常含有粗大的脆性相β-AIFeSi，严重限制了合金的热加工工艺性能，S．Onurlu等的研究表明，采用适当的均匀化处理和添加M n可以促使β-AIFeSi相向形状适宜变形的粒状仅-AIFeSi相转变，从而改善合金的热加工工艺性能。

 图3为含0.1% Fe、0.5% Fe和0.1% Fe +0. 1%Z r的A18Si0. 8Mg0. 5Cu0. 2Mn合金铸态和时效态的金相组织。可见，合金中添加Fe和Z r并不会改变共晶硅的形态与分布，高密度细小的共晶硅颗粒呈网络状分布在晶界或枝晶界。当Fe含量由0.1%增加至0.5%时（图3a和图3b），铸态合金中的针状含Fe相的数量和尺寸明显增大；而添加0.1% Z r后(图3c)，针状含Fe相的数量相对略有增加。时效态合金的金相组织如图3d、图3e和图3f所示，共晶硅颗粒粗化、数量减少且发生圆整化，同时针状含Fe相发生了向块状含Fe相的转变。本研究的结果与彭淳的实验结果一致：随着w( Fe)/w( M n)的增加，合金中的针状含Fe相增加，说明M n对Fe的变质作用与w( Fe)/w( M n)比值相关。

 图4为含0.1% Fe、0.1%  Fe +0. 1% Z r和0.5%Fe的A18Si0. 8Mg0.5Cu0. 2Mn合金铸态和时效态典型的拉伸断口形貌照片。含0. 1% Fe的铸态合金断口（图4a）中含有大量的准解理面和细小的韧窝。当w( Fe)增加至0.5%（图4b）或添加w( Z r)0.1%的Z r(图4c)后，断口中的准解理面的数量增加，而韧窝的数量减少。而经过时效处理后(图4d、图4e和图4f)，断口中韧窝的数量相比铸态合金的显著增多，而准解理面的数量剧烈减少。由组织观察结果

可知，时效处理后共晶硅颗粒长大，共晶硅的边缘发生了圆整化，同时含有粗大的脆性相3-AIFeSi向粒状a-A1FeSi相转变，使得准解理面的数量减少，韧窝数量增加。

3  结  论

 1) A18Si0. 8Mg0.5Cu0.1Fe合金中分别加入质量分数为0.1%、0.2%和0.3% M n，随锰含量增加，抗拉强度增加，而热导率略有降低。M n能使合金中粗大的针状含Fe相转变为块状含Fe相，从而使得合金的抗拉强度得到增加。

 2)随着铁含量增加，铸态和时效态合金的抗拉强度提高，而热导率略有降低。加入质量分数为0.1%的 Z r会使铸态合金及时效后合金的抗拉强度和热导率略微降低。随着w( Fe)/w( M n)比值的增加，合金中的针状含Fe相增加，说明M n对Fe的变质作用与w( Fe) /w( M n)比值相关。

 3)通过断口SEM照片可以看到，含有Fe和M n的A18 Si0.8Mg0.5Cu合金经时效处理后，共晶硅颗粒长大，共晶硅的边缘发生了圆整化，同时含有粗大的脆性相3-AIFeSi向粒状a-AIFeSi相转变，使得准解理面的数量减少，韧窝数量增加。