a357铝合金性能，a356铝合金材料性能

引言在本文中，我们以商用A356铝合金为研究对象，研究铸造方法（压铸、液体拉铸、半固态拉铸）对其组织、导热性和力学性能的影响所做的。结果表明，液态和半固态挤压铸造显着减少了铸造缺陷并提高了合金密度。其中，与模铸相比，液体拉拔铸件晶粒显着细化，共晶Si相由粗大板条状转变为长棒状，合金抗拉强度由179.930MPa提高到209.446MPa。增长率有所增加。从3.19%增加到6.93%，硬度（HB）从55增加到64，导热系数从150.064 W/(m·K)增加到153.072 W/(m·K)。初生-Al颗粒分布均匀，形状圆形。共晶Si相尺寸减小，晶界变圆钝，偏析消失。合金的抗拉强度为223.514 MPa，延伸率为13.68%，硬度（HB）达到71，导热系数提高到160.220 W/(m·K)。铸造铝合金具有优良的铸造性能、良好的耐腐蚀性、比强度高、生产成本低等优点，广泛应用于汽车制造和航空工业。 A356铝合金是常用的铸造铝硅合金，其流动性好、气密性高、收缩率小、热倾向低，因此用于汽车发动机缸盖、滑块零件、零件等。用于制造结构复杂的铸件。这是一个轮毂。随着汽车工业的发展，其应用范围不断扩大，对零件的机械性能和散热能力的要求也随之提高。试验材料为市售A356铝合金，其成分如表1所示。测试中使用了三种不同的铸造方法：金属型铸造（PMC）、液体拉拔铸造（LSC）和半固态拉拔铸造（SSC）。其中，在PMC，采用SG-7.5-10井式坩埚电阻炉对市售A356铝合金进行重熔，当温度升至720时，加入质量分数为1%的C2Cl6进行精炼（脱气、矿渣）。取出后，静置，倒入预热至250的模具中，得到铸件。拉铸采用600T卧式拉铸机，注射力784kN，比压101MPa，保压15秒。将精炼、除渣后的铝合金液注入预热至250的挤压铸造机筒体中，将合金浆料推入预热至250的模具中进行挤压成型。另一方面，在SSC中，将熔炼好的A356铝合金熔融金属注入滚筒式半固态浆料机中形成浆料（出口温度590），然后注入挤压机的料筒中进行挤压成型。成型品的尺寸为160mm170mm8mm。

使用线切割机切割拉伸试样（见图1），并使用电子万能材料试验机WDW-100D进行拉伸试验，记录试样的拉伸强度和伸长率。使用HB-3000B布氏硬度计测试合金硬度。

图1 拉伸试件示意图

1 显微组织图2 显示了采用PMC、LSC 和SSC 三种铸造方法获得的样品的显微组织。合金组织主要由初生-Al相和共晶Si相组成。从图2a可以看出，-Al相是较粗大的枝晶，没有明显的取向规律，且-Al相晶粒尺寸较大且随机分布，导致共晶Si相析出。在晶界处也观察到明显的偏析和团聚现象。从图2b 中可以看出，-Al 明显小于PMC，并且具有玫瑰形或等轴晶体。组织变得更致密、分布更均匀。但晶界析出相的偏析现象并不能完全消除。从图2c中可以看出，-Al初生相是在半凝固状态下生成的，因此在凝固过程中逐渐从玫瑰花状转变为更圆润的球状，从而导致出现气孔、气孔等铸造缺陷。发生缩孔。微观偏析现象大大减少，晶体结构最圆润，结构最均匀。

(一) 项目管理委员会

(b)LSC

(c)SSC

图2 不同铸造方法制备的A356铝合金试样的显微组织利用Image-pro Plus 6.0软件对基体晶粒尺寸进行统计分析结果如图3所示。 PMC工艺过冷凝固程度小，-Al颗粒为粗大枝晶，平均粒径为137.807m。在拉铸过程中，模具与铸件之间的热交换条件显着改善，并且挤压的作用使合金的熔点较传统铸造提高，减少了合金熔体凝固时的初始溢流，冷却增加。 LSC过程中，合金凝固潜热迅速释放，阻碍了合金熔体中原子的扩散，阻碍了初生-Al相的长大，晶粒尺寸减小，平均晶粒尺寸增大。它迅速减少。高达43.512m。过冷度作为凝固的驱动力，降低临界成核半径，提高成核率，增加晶粒数量。半固态制浆时，转鼓的搅拌作用使熔体产生对流，使颗粒相互碰撞，抑制粗枝晶的形成，并破坏枝晶臂，形成许多细颗粒。随着温度降低，这些微粒生长均匀，无明显取向，-Al相整体形貌较为圆形，平均晶粒尺寸为64.824 m。

图3 不同铸造方法生产的A356铝合金-Al晶粒尺寸Al-Si共晶通常被认为是无序共晶，其生长方式为小面生长。使用扫描电子显微镜进一步观察共晶Si 相，请参见图4。图4a是PMC样品共晶Si相的电子显微照片，由于-Al基体不规则、排列不均匀，因此晶界处析出的共晶Si也存在明显的偏析和聚集现象。问题。共晶Si相以较大的针状或板状出现，分布在基体晶界处，很大程度上分割了基体。 LSC样品中的共晶Si颗粒显着细化并转变为小片状和长棒状（图4b），但偏析现象仍然存在。如图4c所示，浆料状态转变为半固态后，SSC样品中共晶Si相的尺寸明显减小，边缘变得明显圆润和钝化，整体形状呈弯曲状。蠕虫状形貌表明在SSC 过程中形成了共晶Si 相。结晶硅相产生一定程度的球化。

(一) 项目管理委员会

(b)LSC

(c)SSC

图4 各种成形方法生产的A356铝合金中共晶Si相的形貌A356铝合金是亚共晶Al-Si合金，在凝固过程中，首先析出初生-Al相，然后共晶和析出过程中， Si相析出。由于分布在Al基体颗粒的晶界中，因此共晶Si相的形貌在一定程度上受到基体颗粒的影响，共晶反应的结束意味着凝固过程的结束。共晶Si相的直径、长宽比和形状因子的统计和计算如图5所示。 PMC样品中共晶Si相的尺寸分布较为分散，有极少数直径为2~3 m的小尺寸颗粒，平均直径为4.40 m，最大直径为8.32 m。 m，长宽比为7.92，形状因子为0.34。由于挤压力对LSC样品颗粒的细化作用，共晶Si相的尺寸分布也比PMC更加集中，且尺寸显着减小，平均等面积圆直径减小到2.05微米。最大直径下降至4.11m，长径比为6.48，形状因子为0.398。 SSC具有较低的注射温度和较快的填充后冷却速度，进一步减小了共晶Si的尺寸并改变了形貌。大多数颗粒的半径小于2m，平均直径减小至1.61m，最大粒径减小至1.61m。半径仅为3.5m，长宽比降低至3.64，形状因子增加至0.472。图6显示了不同铸造方法生产的铸件的X射线衍射图。可以看出，三种方法铸造的试样组织的主要相组成为-Al相和Si相，同时存在强化相（Mg2Si）和Fe。 -富相（Al2Fe3Si4）。由于挤压力的存在，凝固速度加快，基体中微量的Fe、Mg原子在基体中形成固溶体，来不及扩散、析出、结合，形成固溶体。它形成第二相(Mg2Si) 和富铁相(Al2Fe3Si4)。

(a) 共晶Si相的尺寸分布

(b) 共晶Si相的圆形度和长径比

图5 不同铸造方法生产的A356铝合金中共晶Si的尺寸分布和形状变化。

图6 不同铸造方法生产的A356铝合金的XRD图谱。

2 导热系数图7所示为各铸造方法制造的铸件的导热系数测试结果。可见铸造方法对合金的导热率和热扩散率有显着影响。 PMC样品的导热系数最低，LSC样品的导热系数比PMC样品的导热系数高2.0%，SSC样品的导热系数最高，比PMC样品的导热系数高6.7% 。具体数值见表2。

图7 不同铸造方法生产的A356铝合金的导热特性。

3 对机械性能的影响图8显示了不同铸造方法的样品的硬度、拉伸强度和延伸率。 PMC样品的拉伸强度增加到179.930 MPa，伸长率为3.19%，硬度（HB）为55，而LSC样品的拉伸强度增加到209.446 MPa，伸长率为6.93%，硬度（ HB)为64，而SSC样品的拉伸强度提高到223.514 MPa，伸长率提高13.68%，硬度(HB)提高。最多71。

图8 不同铸造方法生产的A356铝合金的力学性能。

4 分析与讨论4.1 铝合金的导热系数导热系数的物理过程主要依靠自由电子的运动，而电子以一定的温度梯度为驱动力，由于不断的碰撞而使温度梯度减小。方向。能量从热区域转移到冷区域，从而实现完全热传导。在非冷条件下，金属材料的热导率与其电导率之比近似恒定。因此，我们从导电性入手，探索合金的导热机理。电子在碰撞过程中移动的平均距离称为平均自由程。根据布洛赫定理，铝合金中电子的平均自由程受到晶体结构完整性的限制。对于给定的温度梯度，铝合金的晶体结构越完美，平均自由程越长，导电性越强。对电子运动的影响程度主要取决于错位、晶界、合金元素固溶体、晶界析出等缺陷的数量和结构。位错密度和晶界面积越大，电子的散射越多，合金的热导率越低，合金中元素的固溶度越高，基体引起的晶格应变越大，从而导致破坏。铝基体中原子的规则性和原始周期性电场的分布产生缺陷和应力场，且晶界析出相的数量和尺寸越大，对电子的散射作用越强，从而增加了平均程度。电子的自由度会增加。路径减少，合金的导热系数降低。室温下，低密度空位和位错对电阻率的影响很小，而当仅改变铸造方法而不进行塑性变形或退火时，不同样品之间的位错密度没有显着差异，对电阻率的影响可以忽略不计。导热系数。虽然冷却速率的变化在一定程度上改变了Al基体中的晶粒尺寸和晶界总面积，但LI B等人也发现晶粒尺寸的变化对导热系数的影响微乎其微，并且导热系数指出事实证明并非如此。其显着下降，且根据粒径的不同而显着下降。对于Al-Si合金，Si和Al形成替代固溶体，但Si在Al中的固溶度很小，最大饱和固溶度仅为1.65%，室温下也仅为0.05%。该元素形态与Al一起形成Al-Si共晶组织。 A356铝合金中Si的质量分数约为7.06%，仅少量固溶于Al基体中，大部分以Al-Si共晶形式析出。 Si的原子半径（0.134 nm）与Al的原子半径（0.143 nm）非常接近，Si原子固溶导致的Al基体晶格畸变很小，因此Si固溶在基体中。它对Al的导热率几乎没有影响，但主要受晶界处析出的共晶Si的影响。李斌等人也认为，当Si质量分数在7.0%~12.8%之间时，Al基体中的晶格畸变程度很小，随Si含量的变化并不明显。晶界析出物相对基体的分离是A356铝合金导热系数较纯Al下降的主要原因。根据三种铸造方法样品中共晶Si相的SEM照片，绘制出其抑制电子传递的示意图，如图9所示。 PMC样品中的共晶Si相具有较大的板条形状，且集中且分散，使得电子难以穿过或绕过共晶Si颗粒来完成能量传输。在机械挤压力的作用下，合金的密度增加，原子间的距离缩短，基体的连通性加强，自由电子的自由程增加，起到提高热性能的作用。特性。合金的导电性。 LSC在细化-Al基体颗粒时不可避免地增大了晶界面积，但同时也完成了对共晶Si颗粒的显着细化作用，使其变成长棒状，面积增大，显着收缩和扩大了电子输运。整体道次显示出能量传输效率的提高，即热导率的提高，并且SSC样品的晶界共晶Si相受到一定程度的破坏并变得球化，边缘变圆变钝。整个事情看起来就像一条蠕虫。

钝化的共晶相边缘可以减少散射的可能性。其机理主要包括减小散射面积、改变散射碰撞为穿透、增加基体中电子的自由程、改变散射方向等。参见图10。研究发现，共晶Si相的球化显着减弱了对自由电子转移的抑制作用，提高了A356铝合金的热导率。

(一) 项目管理委员会

(b)LSC

(c)SSC

图9 共晶Si相中自由电子的散射原理示意图

图10 晶界形状对电子散射的影响4.2 力学性能一般来说，挤压铸造试件的力学性能高于压铸试件；这是因为晶粒在作用下显着细化。在Petch 配方中，零件的强度随着晶粒尺寸的减小而增加。换句话说，细晶粒强化完成。同时，晶界增多，分布在其间的共晶Si和少量强化相Mg2Si也对-Al基体中的位错产生钉扎作用。此外，铸造缺陷极大地影响合金的断裂伸长率，而挤压铸造的外部压力减少了铸件内部的铸造缺陷，增加了铸件组织的致密度，宏观上提高了强度。样本。当面心立方结构的-Al基体受到垂直于滑移面的载荷时，滑移系激活，引起滑移而不是解理，基本不发生解理破坏。此外，利用电子显微照片观察了不同铸造方法生产的铸件的断口形貌，PMC、LSC和SSC样品的拉伸断口形貌如图11所示。从图11a可以看出，共晶Si的形貌为晶界处的拉长片状，裂纹容易产生并沿晶界扩展，但晶粒取向无序，尺寸变大。裂纹扩展在晶界处受阻，并随着应力积累而撕裂，留下明显的撕裂边缘、透明的片状刻面和河流状图案。断裂模式是脆性断裂和韧性断裂之间的过渡模式，是偏于脆性断裂的准解理断裂。从图11b可以看出，拉伸断口撕裂边缘较窄，小而深的韧窝密集分布，整个断口无明显分层，无剥离台阶或刻面，确定断裂模式为偏向于韧性断裂。从图11c可以看出，韧窝尺寸稍大，分布均匀，形状呈圆形，符合等轴韧窝的特征，同时断口撕裂边较少，可以看出，样品整体呈现韧性断裂。结果发现，样品的伸长率受到枝晶尺寸和共晶Si相的长宽比的控制，并且发现通过挤压铸造得到的样品的伸长率比模铸得到提高。此外，SSC样品中的共晶Si相得到了细化，减少了脆性相中裂纹源的数量，但较大的韧窝尺寸意味着样品中的微孔发生团聚，这表明裂纹扩展路径正在增长。伸长率显着增加。

(一) 项目管理委员会

(b)LSC

(c)SSC

图11 不同铸造方法铸件的拉伸断口形貌

5 结论(1)铸造方法对A356铝合金的显微组织和形貌有显着影响。模铸样品中的-Al颗粒为粗大枝晶，平均尺寸为137.807 m，共晶Si相以板条和片晶形式存在，平均直径为4.04 m。液体挤压铸造样品晶粒显着细化，呈现出最小的胞状晶体，平均尺寸仅为43.512m，共晶Si相转变为细棒，平均直径减小至2.05m。半固态铸造获得的晶粒尺寸为64.824m，略大于水压铸造的晶粒尺寸，但形状为圆形，共晶Si相的平均直径较小，为1.61m，具有蠕虫状的特征。形状.成为.弯曲形状和钝边。 (2)虽然空位、位错、晶界和元素固溶体导致合金的导热系数低于纯金属，但A356铝合金的导热系数对金属形貌最敏感。共晶Si相。随着共晶Si相尺寸和长宽比的减小以及圆形度的增加，导热系数和热扩散率呈现上升趋势。模铸件的导热系数为150.064 W/(m·K)，但液态挤压铸件的导热系数提高到2.0%，且半固态挤压铸件的-Al颗粒较大，具有由于圆形、共晶Si尺寸和界面钝化，自由电子的散射概率较低，导热系数达到160.220 W/(m·K)，比模铸高6.7%更高。 (3)拉拔铸造可以减少内部铸造缺陷，提高A356铝合金的力学性能。模具铸件的抗拉强度为179.930MPa，延伸率为3.19%，硬度（HB）为55。液体挤出制品的拉伸强度达到209.446MPa，伸长率为6.93%，硬度（HB）增加。半固态挤压铸件的抗拉强度达到223.514MPa，延伸率提高到13.68%，硬度（HB）提高到71，与金属铸件相比显着提高。文献引用格式：曹阳静，李元东，罗晓梅，等，铸造方法对A356铝合金组织、导热性能及力学性能的影响[J].特种铸造与有色合金，2021，41（11） ：1424-1430。