M n、Fe和Z r對A18Si0.8Mg0.5Cu合金組織和性能的影響
朱穎暉，郝高峰，曹以恒，何立子
（東北大學材料電磁過程研究教育部重點實驗室，遼寧沈陽110819）
摘要：通過電導率和拉伸性能測試，并結合金相顯微鏡和掃描電鏡組織觀察等分析測試手段，研究了合金元素Fe、M n和Z r對高導熱A18 Si0.8Mg0.5Cu合金的拉伸性能、熱導率和微觀組織的影響。結果表明，鑄態(tài)合金中，當錳含量（質量分數，下同）由0. 1%增加至0.3%時粗大針狀含Fe相減少而塊狀含Fe相增多，拉伸強度增加42.5 N/mm2，而熱導率降低8 W/(m. K)；當鐵含量南0.1%增加至0.5%時，鑄態(tài)合金中針狀含Fe相的數量和尺寸明顯增大，拉伸強度提高7.8 N/mm2，而熱導率降低3 W/(m．K)；加入0.1% Z r后，針狀含Fe相的數量略有增加，拉伸強度降低18.8 N/mm2，而熱導率降低7 W/(m．K)。當鑄態(tài)合金在2000C4 h人工時效后，隨錳含量增加，拉伸強度增加28.5N／mm2，而熱導率降低了3 W/(m．K)；隨鐵含量增加，拉伸強度提高1 1.9 N／mm2而熱導率降低3 W/(m．K)；加入0. 1%Z r后，拉伸強度降低1l.5 N／mm2而熱導率降低了4 W/(m．K)。
關鍵詞：A18Si0. 8Mg0.5Cu合金；拉伸性能；熱導率；合金元素
中圖分類號：TG146. 21文章編號：1007 - 7235( 2016) 03 - 0019 - 05
A1-Si-Mg-Cu系合金具有密度小、比強度高、鑄造性能良好、抗腐蝕能力強、力學性能好、熱膨脹性能優(yōu)及可焊性等特點，因此被廣泛應用于航空航天、汽車、機械等行業(yè)�？捎脕砩a形狀復雜、壁薄、耐蝕、氣密性好、導熱性好、承受中高靜載荷或沖擊載荷以及在較高溫度下工作的大、中、小型鑄件，該系合金應用比例占全部鑄造鋁合金的70%以上。改變合金元素含量是提高A1-Si-Mg-Cu系合金性能的一個主要方法。
通過改變合金元素含量的方法可獲得具有高強度及高導熱性能的A1-Si-Mg-Cu合金。鐘建華等對6063鋁合金進行研究，發(fā)現w( Mg)/w( Si)<1. 73時，合金具有較高的導熱能力；w(Mg)/w(Si)1.73時，過量的Mg不僅會削弱Mg2Si強化效果，且會溶入鋁基體中，使合金的熱導率下降。Y．Zheng等研究發(fā)現A1-Si-Mg-Cu系合金在w( Cu)／w( Mg) =1的情況下主要形成Mg2Si，在w(Cu)/w(Mg)=3的情況下主要形成O相和Q相，而在相同w( Cu)/w( Mg)情況下高銅和高鎂含量會促進形成O相和Q相，所以可以通過控制銅含量和w( Cu) /w(Mg)來控制主要金屬間化合物的溶解相和析出相的形成，從而影響強度和延性。A．R．Far koosh等研究發(fā)現A1- Si-Mg-Cu系合金在300℃下，鎂含量（質量分數，下同）由0. 3%增加至0.5%時，屈服強度和斷裂強度增長30%和50%，伸長率下降了20%，在鎂含量為0.5%時抗蠕變性能也得到顯著提高。國內外對于A1-Si-Mg-Cu系合金的研究大多是關于鎂、銅、硅含量及熱處理方式對合金組織、性能的影響，關于其他元素對A1-Si-Mg-Cu系合金組織、性能影響的研究還不充分。本試驗通過改變A18Si0. 8Mg0.5Cu合金的其他合金元素含量，采用電導率和硬度測試、金相顯微鏡和掃描電鏡觀察等分析測試手段，研究了合金元素Fe、M n和Z r對A18 Si 0.8Mg0.5Cu合金的力學性能和熱導率的影響規(guī)律。
1 試驗材料和試驗方法
試驗合金成分中的主要元素Si、Mg、Cu的含量分別為8%、0.8%和0.5%，M n、Fe和Z r的不同含量配料見表1。所有試驗合金均采用水冷銅模澆注。配制合金的原料采用質量分數為99.97%工業(yè)純鋁、99. 97%工業(yè)純鎂、99%工業(yè)純硅、99. 99%高純銅、鐵含量為80%的鐵劑、錳含量為80%的錳劑、A1-5%Z r中間合金。鑄錠尺寸為200 mm x100 mm×25mm，澆注溫度為720C。鑄件使用HN101型數顯電熱鼓風干燥箱進行時效處理，時效溫度為200℃，時效時間為4h。
室溫拉伸性能測試在AG-X拉伸試驗機上進行，變形速率為6. 78 x10-4s-1，每個數據為3個試樣的平均值。金相試樣取自鑄件橫斷面，研磨、機械拋光后不經化學腐蝕在Neophot21金相顯微鏡上觀察金相組織。在SSX-550型掃描電子顯微鏡下進行斷口觀測。
采用Sigma scope型電導儀測量電導率，由Wiede mann -Franz定律可知，根據下式可計算出熱導率的值。
2 結果與討論
2.1 拉伸性能及熱導率
添加不同錳含量的鑄態(tài)和時效態(tài)的A18 Si 0.8Mg0.5 Cu0.1 Fe合金抗拉強度和熱導率的變化如圖1所示。鑄態(tài)合金中，當w(M n)=0.1%時，抗拉強度為213.1 N／mm2，熱導率為134 W/(m．K)；w( M n)=0.2%時，抗拉強度提高37.2 N／mm2，熱導率幾乎不變；w( M n)=0.3%時，抗拉強度僅增加了5.3 N/mm2，而熱導率降低了7 W/(m．K)。時效合金中，抗拉強度普遍比鑄態(tài)的要高60 N／mm2左右，隨錳含量增加其變化趨勢與鑄態(tài)合金的基本一致；熱導率普遍比鑄態(tài)合金的高(20~30) W/(m．K)，但w( M n)=0.2%時，熱導率達到了最低值152 W/(m．
K)�？梢姡S著錳含量增加，鑄態(tài)合金及時效后合金的抗拉強度增加，熱導率略有降低，而時效處理可顯著提高合金的抗拉強度及熱導率。綜合比較，A18 Si0. 8Mg 0.5Cu0.1Fe0. 3Mn合金經時效處理后具有最佳的拉伸強度和熱導率。
表2為含0. 1% Fe、0.1%Fe+0.1% Z r和0.5%Fe的A18Si0. 8Mg0.5Cu0. 2Mn合金的抗拉強度及熱導率�？梢�，鑄態(tài)合金中，當w(Fe)=0.1%時，抗拉強度為242.5 N／mm2，熱導率為133 W/(m．K)；當Fe含量增加到0.5%時，抗拉強度提高了3%，熱導率降低了3 W/(m．K)。時效合金中，合金的抗拉強度比含0.1% Fe鑄態(tài)合金的要高80.8 N／mm2，比0.1% Fe時效態(tài)合金的提高了4%；熱導率普遍比鑄態(tài)合金的高20 W/(m．K)，0.5%Fe合金的熱導率降低了3 W/(m．K)。在A18S10. 8Mg0. 5Cu 0.2Mn0. 1Fe合金中加入0.1% Z r后，鑄態(tài)合金的抗拉強度降低了11%，熱導率降低了7 W/(m．K)。時效合金中，加入Z r后抗拉強度比0.1% Fe鑄態(tài)合金要高57.4 N/mm2，比0.1% Fe時效態(tài)合金的降低了4%；熱導率普遍比鑄態(tài)合金的高20 W/(m．K)，加入Z r后熱導率降低了4 W/(m．K)。
以上結果表明，隨著鐵含量增加，鑄態(tài)和時效態(tài)合金的抗拉強度提高，而熱導率略有降低。加入0. 1% Z r會使鑄態(tài)合金及時效后合金的抗拉強度和熱導率略微降低。綜合比較，A18Si0. 8Mg0.5Cu 0.5 Fe0. 2Mn合金經過時效處理后具有最佳的抗拉強度( 323.3 N／mm2)和熱導率(149 W/(m．K)。
2.2金相組織分析
圖2為含0.1%、0.2%和0.3% M n的A18Si 0.8 Mg0.5 Cu0.1 Fe合金鑄態(tài)和時效態(tài)的金相組織。圖2a為鑄態(tài)0.1% M n合金的金相組織，可見共晶硅呈網絡狀分布在鋁基體上，這些共晶硅主要為細小共晶硅顆粒，但也有部分為較粗大的共晶硅片。同時可以觀察到晶界和枝晶界上存在有大量針狀含Fe相，其平均寬度為0.5μm~3μm，長度約為20μm～80 μm。隨錳含量增加（圖2b和c），鑄態(tài)合金中的網絡狀共晶硅的分布更為細密，單位面積上硅顆粒的數量增多；同時針狀含Fe相的數量顯著減少，而相應的塊狀含Fe相的數量增多。經時效處理后（圖2d、圖2e和圖2f），合金中共晶硅的數量減少，共晶硅顆粒長大，同時共晶硅的邊緣發(fā)生了圓整化：而針狀含Fe相與鑄態(tài)合金相比顯著減少，塊狀含Fe相數量相對增多。由上可知，在鑄態(tài)合金中，錳含量的增加和固溶處理均可以減少合金中針狀含Fe相的數量，而促進塊狀含Fe相的生成，從而使合金的抗拉強度明顯增加。Al-Si-Mg-Cu系合金中常含有粗大的脆性相β-AIFeSi，嚴重限制了合金的熱加工工藝性能，S．Onurlu等的研究表明，采用適當的均勻化處理和添加M n可以促使β-AIFeSi相向形狀適宜變形的粒狀僅-AIFeSi相轉變，從而改善合金的熱加工工藝性能。
圖3為含0.1% Fe、0.5% Fe和0.1% Fe +0. 1%Z r的A18Si0. 8Mg0. 5Cu0. 2Mn合金鑄態(tài)和時效態(tài)的金相組織�？梢姡辖鹬刑砑覨e和Z r并不會改變共晶硅的形態(tài)與分布，高密度細小的共晶硅顆粒呈網絡狀分布在晶界或枝晶界。當Fe含量由0.1%增加至0.5%時（圖3a和圖3b），鑄態(tài)合金中的針狀含Fe相的數量和尺寸明顯增大；而添加0.1% Z r后(圖3c)，針狀含Fe相的數量相對略有增加。時效態(tài)合金的金相組織如圖3d、圖3e和圖3f所示，共晶硅顆粒粗化、數量減少且發(fā)生圓整化，同時針狀含Fe相發(fā)生了向塊狀含Fe相的轉變。本研究的結果與彭淳的實驗結果一致：隨著w( Fe)/w( M n)的增加，合金中的針狀含Fe相增加，說明M n對Fe的變質作用與w( Fe)/w( M n)比值相關。
圖4為含0.1% Fe、0.1% Fe +0. 1% Z r和0.5%Fe的A18Si0. 8Mg0.5Cu0. 2Mn合金鑄態(tài)和時效態(tài)典型的拉伸斷口形貌照片。含0. 1% Fe的鑄態(tài)合金斷口（圖4a）中含有大量的準解理面和細小的韌窩。當w( Fe)增加至0.5%（圖4b）或添加w( Z r)0.1%的Z r(圖4c)后，斷口中的準解理面的數量增加，而韌窩的數量減少。而經過時效處理后(圖4d、圖4e和圖4f)，斷口中韌窩的數量相比鑄態(tài)合金的顯著增多，而準解理面的數量劇烈減少。由組織觀察結果
可知，時效處理后共晶硅顆粒長大，共晶硅的邊緣發(fā)生了圓整化，同時含有粗大的脆性相3-AIFeSi向粒狀a-A1FeSi相轉變，使得準解理面的數量減少，韌窩數量增加。
3 結 論
1) A18Si0. 8Mg0.5Cu0.1Fe合金中分別加入質量分數為0.1%、0.2%和0.3% M n，隨錳含量增加，抗拉強度增加，而熱導率略有降低。M n能使合金中粗大的針狀含Fe相轉變?yōu)閴K狀含Fe相，從而使得合金的抗拉強度得到增加。
2)隨著鐵含量增加，鑄態(tài)和時效態(tài)合金的抗拉強度提高，而熱導率略有降低。加入質量分數為0.1%的 Z r會使鑄態(tài)合金及時效后合金的抗拉強度和熱導率略微降低。隨著w( Fe)/w( M n)比值的增加，合金中的針狀含Fe相增加，說明M n對Fe的變質作用與w( Fe) /w( M n)比值相關。
3)通過斷口SEM照片可以看到，含有Fe和M n的A18 Si0.8Mg0.5Cu合金經時效處理后，共晶硅顆粒長大，共晶硅的邊緣發(fā)生了圓整化，同時含有粗大的脆性相3-AIFeSi向粒狀a-AIFeSi相轉變，使得準解理面的數量減少，韌窩數量增加。
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