高强韧铝合金AlSi10MnMg实现不同压铸力学性能的研究

摘要：根据AlSi10MnMg中不同Mg含量和不同热处理状态以及热处理工艺参数，通过对实验数据的分析研究，细分出不同状态下压铸力学性能的具体范围，以便根据不同应用场景的力学性能要求，选择相应的生产和热处理工艺。

关键词：镁含量   热处理工艺   压铸力学性能

AlSi10MnMg是欧盟的一个铝合金牌号，又名EN AC—43500，源出于德国莱恩铝业公司的Silafont—36。该牌号铝合金的Si含量略低于AlSi共晶合金，具有较好的流动性。Fe含量小于0.15％，使AlFeSi相的板块状得以消除，使压铸件在受力状态下不产生裂纹。一定的Mn含量也可防止压铸时合金的粘模现象，而在组织上呈现球状相。因此，该铝合金属于高强韧铝合金的一种，在以铝代钢方面广泛应用于结构件，尤其是汽车结构件。根据德国莱恩铝业公司的文献资料，其标准成分内不同控制范围和不同热处理工艺以及不同生产条件的差异，可以得出比较宽的不同的压铸力学性能。为了能寻找出准确定位于性能的对应工艺，实现以性能为结果反推成分控制范围和热处理工艺选取这一目标，我们进行了大量的实验和研究。其中以Mg的不同含量以及分别对不同热处理状态的正交试验为突破口，有针对性地应用于不同性能要求的铝合金结构件中。本文主要基于实验数据进行分析研究，其中的伸长率均为断后实测伸长率，若以引伸计计算则伸长率数值更高。

1. 不同Mg含量对压铸力学性能的影响

该铝合金牌号在欧盟标准中属于AlSi10Mg组别，Mg是主要的热处理强化元素。它的标准含量从0.1—0.5%，范围比较宽。这对于追求强韧性能，尤其是强度和伸长率的性能组合，给了我们一个很好的用于调整的范围。

根据实验数据分析，随Mg含量的变化所呈现的一般规律是：Mg含量与抗拉强度、屈服强度呈正相关，与伸长率呈负相关。表1是压铸件在F态下的实验数据。

表1：压铸F态Mg含量与主要力学性能（均值）

其变化趋势如图1所示。

图1  压铸F态Mg含量与主要力学性能变化趋势

在热处理状态下，Mg含量对压铸力学性能也有着不同的影响，表2 是压铸件在T6－9状态下的实验数据。

表2：压铸件T6－9状态Mg含量与主要力学性能（均值）

其变化趋势如图2所示。

图2  压铸件在T6－9状态下Mg含量与主要力学性能变化趋势

2. 不同热处理状态对压铸力学性能的影响

德国莱恩铝业公司给出的热处理工艺是一个比较宽的范围，具体应用时还要根据实际情况来选取和调整。根据Mg含量对压铸力学性能的影响程度，我们将Mg含量分为了H、A、B、C四段来进行各种热处理状态的实验。其中的试样成形方式是普通压铸成形，若采用真空压铸成形，性能将会更优。

2.1  T6热处理

T6热处理可以获得最高的强度和比较理想的伸长率性能。对不同Mg含量分段的试样分别进行T6热处理，并通过对固溶温度（480—490⁰C）、保温时间（2—5h）、时效温度（155—170⁰C）、时效保温时间（2—5h）等四个因素进行了正交试验。实验中除了可寻找出优选该段的热处理工艺外，还得到了该段范围内不同强韧性能指标的各种组合方案。

A段T6后的性能范围见表3。

表3： A段的T6压铸力学性能范围

该段其中的几个组合性能实验指标数据如表4。

表4：A段压铸试样T6其中几组实验数据（均值）

B段T6后的性能范围见表5。

表5： B段的T6压铸力学性能范围

该段其中的几个组合性能实验指标数据如表6。

表6：B段压铸试样T6其中几组实验数据（均值）

C段T6后的性能范围见表7。

表7： C段的T6压铸力学性能范围

该段其中的几个组合性能实验指标数据如表8。

表8：C段压铸试样T6其中几组实验数据（均值）

同理，实验得出特殊段H段T6后的性能范围（略）。

综上实验数据，四个Mg含量分段T6后的性能分布范围如图3所示。

图3  不同Mg含量分段的压铸试样T6后力学性能分布范围

2.2  T7热处理

T7热处理工艺经固溶后通过过时效实现，可以最大限度地获得较高的伸长率性能。同样，对不同Mg含量分段的试样分别进行T7热处理，并通过对固溶温度（470—490⁰C）、保温时间（1—5h）、时效温度（190—230⁰C）、时效保温时间（1—3h）等四个因素进行了正交试验。寻找出各段的优选热处理工艺，并得到了各段范围不同强韧性能指标的各种组合方案。具体实验分析方法与T6类似（略）。四个Mg含量分段T7后的性能范围如图4所示。

图4  不同Mg含量分段的压铸试样T7后力学性能分布范围

2.3  T5热处理

T5热处理的作用是提高强度，对比压铸F态适当地降低了伸长率。对不同段的Mg含量分别采用多种时效工艺进行实验探索，得出如下的结果：

2.3.1 相同时效温度，随时效时间的延长抗拉强度、屈服强度、伸长率升高。例如，当时效温度为185⁰C时，时效时间对性能的影响详见图5、图6、图7、图8。

图5  A段185⁰C时效温度，时效时间对压铸力学性能的影响

图6  B段185⁰C时效温度，时效时间对压铸力学性能的影响

图7  C段185⁰C时效温度，时效时间对压铸力学性能的影响

图8  H段185⁰C时效温度，时效时间对压铸力学性能的影响

2.3.2 相同时效时间，随时效温度的升高，抗拉强度、屈服强度升高，而伸长率降低。时效温度对性能的影响详见图9、图10、图11、图12。

图9  A段3.5h时效时间，时效温度对压铸力学性能的影响

图10  B段2.5h时效时间，时效温度对压铸力学性能的影响

图11  C段2.5h时效时间，时效温度对压铸力学性能的影响

图12  H段4.5h时效时间，时效温度对压铸力学性能的影响

2.3.3 相同时效工艺，随Mg含量的升高，抗拉强度、屈服强度升高，而伸长率降低。如当采用T5—8工艺时，不同Mg含量范围的压铸力学性能详见表10和图13。

表10：  T5—8工艺状态下不同段的压铸力学性能（均值）

图13  T5—8状态下Mg含量对压铸力学性能的影响

2.4   各段Mg含量不同热处理状态压铸主要力学性能的应用

采用同样方法，对普通压铸试样还进行了不同含Mg段的T4状态和O退火态对性能影响的实验和分析研究。

各种状态的实验结果归纳如表9。

表9： 各种热处理状态不同含Mg段压铸主要力学性能范围实验数据

在各种热处理状态下，表9的实验数据与德国莱恩铝业公司的数据对比，适应性能的指标范围更宽，而在应用时选取性能的具体工艺控制范围更窄、更易于准确定位。

如德国大众汽车有一款部件的性能要求抗拉强度≥300MPa，屈服强度≥250MPa，伸长率≥7%，在本司生产的AlSi10MnMg材料中有具体对应的T6方案可选择实现。

又如某副车架的性能要求抗拉强度≥290MPa，屈服强度≥210MPa，伸长率≥5%，在T5和T6中都有具体对应的方案可供选取实现。本司生产的AlSi10MnMg材料在压铸副车架经T5热处理后的本体上取样测试，验证通过了该性能指标。

再如汽车减震塔的性能要求抗拉强度≥200MPa，屈服强度≥140MPa，伸长率≥10%，有相应的T6、T7几组方案可以实现。

只要用户给出应用该铝合金牌号的性能要求，就可以选择对应的成分范围和生产工艺来控制生产，并在提供铝合金材料的同时，提供对应的压铸件热处理工艺方案。当同时存在两种以上实现方案时还可提供经济选取。

3.  结论

3.1   AlSi10MnMg铝合金材料，随Mg含量的升高，抗拉强度、屈服强度升高，伸长率降低。反之亦然。

3.2   不同热处理状态或同一热处理状态不同工艺参数对压铸力学性能有不同的影响。

3.3   对于不同Mg含量和不同的热处理工艺，结合生产熔炼工艺可获得细分后的不同性能的具体控制方案。有利于根据高强韧结构件的不同性能要求来选择该牌号铝合金对应的熔炼生产和热处理的工艺方案。

3.4   细分后的控制方案，当存在有多组方案可满足同一性能指标要求时，还有利于考虑成本的因素进行经济选取。

参考文献：

[1] 张百在，刘学强，万里，等. Mg含量对AlSi10MgMnFe压铸件性能和组织的影响. 特种铸造及有色合金，2016，36（8）:829-832.