原标题：固溶时间对半固态压铸 Al-Si-Fe-Mg 合金组织与性能的影响

Al-Si合金具有高比强度、良好的耐腐蚀性、耐磨性和铸造性能，在汽车、航空航天和通信领域中应用广泛。在众多成形技术中，高压压铸成形是Al-Si合金最有效的加工方式之一。然而，高压压铸件中常存在粗大的枝晶组织和气孔缺陷，降低了铸件的力学性能和导热性能。由于气孔缺陷的存在，高压压铸件无法通过热处理来进一步提高性能。与高压压铸技术相比，半固态压铸技术在解决上述问题上具有一定优势。半固态压铸技术的关键在于能制备良好球状晶的半固态浆料。目前，半固态浆料的制备方法主要有机械搅拌法、电磁搅拌法、分流汇合浇道法和蛇形流道浇注法等。这些方法均可以制备具有球状初生固相的半固态浆料，但粘料和制浆效率低等问题限制了其在工业领域上的应用。研究表明，在激冷和流动剪切作用下，倾斜板法在解决粘料问题的同时，还可高效地制备出半固态浆料。为进一步提高半固态浆料的质量，自主设计了剪切、振动耦合亚快速凝固制浆装置，其中包括冷却流道和振动系统。冷却流道内部通有冷却循环水，可以提供激冷作用，有利于异质形核发生。振动系统提供剪切作用力，不仅可以解决粘料问题，还会促进溶质扩散，导致冷却板表面晶核游离、增殖，进而提高晶粒的圆整度、改善晶粒大小。

随汽车、航空航天和通讯领域的发展，对Al-Si合金铸件综合性能的要求增加。热处理是提高合金性能的常用方法。研究者研究了固溶温度对半固态压铸AlSi9Mg合金组织性能的影响，结果发现，随着固溶温度增加，初生α-Al晶粒直径先减小后增加，合金的强度先提高后降低。当固溶温度为535 ℃时，合金的力学性能理想，其抗拉强度为277 MPa，伸长率为3.9%。CHEN Z Z等研究了T6热处理对半固态压铸A356合金性能的影响，发现与铸态相比，T6态合金的抗拉强度提高了约30%。还有研究者研究了T6热处理对半固态压铸Al-30Si合金力学性能的影响，发现经过T6热处理，合金的抗拉强度从234 MPa提高至278 MPa。然而，固溶时间对剪切、振动耦合亚快速凝固半固态压铸Al-Si合金组织与力学性能影响的研究报道很少。

因此，本研究以Al-Si-Fe-Mg合金为对象，采用剪切、振动耦合亚快速凝固制浆与压铸技术，制备半固态压铸拉伸试样，并研究固溶时间对其组织和力学性能的影响，进而获得优化的固溶处理参数，为空天、汽车、通信领域高性能铸件的制备提供参考。

图文结果

原材料采用Al-Si-Fe-Mg合金。通过化学分析方法测试合金的实际成分，结果见表1。首先，将合金在CEM-150型工业熔炼炉中加热至700 ℃；当熔体完全熔化后，降低熔体温度至670 ℃，然后对熔体进行除气、除渣处理，保温30 min。通过给汤勺将熔体浇注到剪切、振动耦合亚快速凝固制浆装置的锥型流道上，熔体沿着锥型流道流入压铸机压室，压射压力为35 MPa，压射速度为2.8 m/s，完成压铸成形，获得半固态压铸拉伸试样（ϕ10 mm×170 mm）。对拉伸试样进行固溶处理，固溶温度为535 ℃，固溶时间分别为0.5、1、2和4 h，并对固溶处理后的拉伸试样进行水淬。

表1 Al-Si-Fe-Mg合金的实际成分(%)

图1为半固态压铸Al-Si-Fe-Mg合金的显微组织、EDS分析、EPMA组织及Fe含量。

图2为不同固溶时间处理的半固态压铸Al-Si-Fe-Mg合金的EBSD组织。可以看出，不同固溶时间处理的合金组织中的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晶粒组成。基于EBSD结果，对初生α1-Al晶粒和二次凝固α2-Al晶粒的直径和形状因子进行统计，见图3。

图1 半固态压铸Al-Si-Fe-Mg合金的显微组织、EDS分析EPMA和Fe含量

图2 不同固溶时间下半固态压铸Al-Si-Fe-Mg合金的EBSD结果

图3 固溶时间对半固态压铸Al-Si-Fe-Mg合金显微组织的影响

图4为固溶处理后半固态压铸Al-Si-Fe-Mg合金的SEM组织。可以看出，当固溶时间为0.5 h时，共晶Si相由短棒状以及颗粒状共晶Si相组成，共晶Si相出现颈缩现象，颈缩的共晶Si相发生溶断并破碎成小的共晶Si相，见图4a。当固溶时间增加至1 h时，共晶Si相为颗粒状形貌，见图4b。随着固溶时间继续增加，颗粒状共晶Si相长大，见图4c和图4d。对比共晶Si相的等效直径和形状因子发现，当固溶时间从0.5 h增加至4 h时，共晶Si相的等效直径先减小后增加，形状因子持续增大，见图5。

图4 不同固溶时间下半固态压铸Al-Si-Fe-Mg合金的SEM组织

图5 不同固溶时间处理对合金中共晶Si相的等效直径和形状因子的影响

图6为不同固溶时间下半固态压铸Al-Si-Fe-Mg合金的EPMA组织。基体中溶质原子的固溶度分析结果见表2。结果表明，当固溶时间为0.5 h时，部分Si和Mg元素溶于基体，Cu元素几乎完全溶于基体。随着固溶时间延长至1 h时，Si和Mg元素在基体中的固溶度增加。随着固溶时间继续延长，Si和Mg元素在基体中的固溶度保持不变。

图7为不同固溶时间下半固态压铸Al-Si-Fe-Mg合金的工程应力-应变曲线。可以发现，随着固溶时间从0 h延长至4 h，合金的抗拉强度、屈服强度和伸长率均先增加后降低。当固溶时间为1 h时，合金的力学性能最优，其抗拉强度、屈服强度和伸长率分别为320.1 MPa、224.2 MPa和13.3%。

图6 不同固溶时间下半固态压铸Al-Si-Fe-Mg合金的EMPA组织

表2 Si、Mg和Cu元素在基体中的固溶度

图7 不同固溶时间下半固态压铸Al-Si-Fe-Mg合金的工程应力-应变曲线

结论

（1）剪切、振动耦合亚快速凝固制浆技术与压铸技术进行一体化衔接形成半固态压铸技术。半固态压铸Al-Si-Fe-Mg合金拉伸试样的组织由球状形貌的初生α1-Al晶粒和二次凝固α2-Al晶粒、共晶Si相和β-Al5FeSi相组成。

（2）随着固溶时间从0 h延长4 h，初生α1-Al晶粒的平均晶粒直径从26.98 μm增至31.96 μm，二次凝固α2-Al晶粒的平均晶粒直径从6.54 μm增至7.71 μm。同时，溶于基体的Si和Mg固溶原子浓度先增大后保持稳定，共晶Si相先后发生颈缩、断裂、球化和粗化。

（3）当固溶时间从0 h延长至4 h时，半固态压铸Al-Si-Fe-Mg合金的力学性能先增加后降低。当固溶时间为1 h时，合金力学性能最佳，其抗拉强度、屈服强度和伸长率分别为320.1 MPa、224.2 MPa和13.3%，这主要与固溶原子的固溶度增加和颗粒状共晶Si相形成有关。

《固溶时间对半固态压铸 Al-Si-Fe-Mg 合金组织与性能的影响》

刘岩1 陈宗涛1 高民强2 何建冬1 管仁国2

1. 大连长之琳科技股份有限公司；2. 大连交通大学连续挤压教育部工程研究中心

本文转载自：《特种铸造及有色合金》