Si含量对Al-Si-Mg合金铸造组织与性能的影响*

毛文龙，杨 虹，杨 莉，王顺成，郑开宏

广东省材料与加工研究所，广东 广州 510650

Si含量对Al-Si-Mg合金铸造组织与性能的影响*

毛文龙，杨 虹，杨 莉，王顺成，郑开宏

广东省材料与加工研究所，广东 广州 510650

通过金相显微镜、激光导热仪、拉伸试验机和扫描电镜等测试方法，研究了Si含量对铸造Al-Si-Mg合金流动性、导热系数与力学性能的影响.结果表明：随着Si含量的提高，共晶液相增加和α-Al枝晶晶粒细化，α-Al晶界上Mg2Si强化相和共晶Si数量增加，合金的铸造流动性和抗拉强度提高，伸长率和导热系数下降.当Si质量分数提高到3.23%时，Al-Si-Mg合金的铸造动性试样流长度为784 mm，抗拉强度和伸长率分别为236 MPa和9.2%，导热系数为186.3 W/m·k.

Al-Si-Mg合金；铸造流动性；导热系数；抗拉强度

铝合金具有密度低、强度高、塑性好以及优良的导热、抗腐蚀性能和独特的金属光泽等优点，被广泛用于电子产品外壳、LED散热片、无线通讯基站散热基板等对有散热功能要求的零部件[1-3].这类零部件的传统生产方法是采用Al-Mg-Si系变形铝合金为材料，先铸造成锭坯，经挤压或轧制成板坯后，再机加工成零部件.这种方法的生产效率较低，生产成本较高，越来越难以满足大批量生产的要求[4].

铸造是铝合金零部件最常用的生产方法，如压铸和挤压铸造，该法具有生产效率高、成本低等优点[5].目前，铸造生产的铝合金主要为Al-Si系铸造铝合金，这类铝合金具有优良的铸造流动性和机械加工性能，但其导热性能较差，其导热系数一般低于150 W/m·k，难以满足零部件的散热功能要求[6-8].Al-Mg-Si系变形铝合金具有较好的强度、塑性和导热性能，但其铸造流动性较差，热裂倾向大.用于铸造生产时，容易产生疏松和收缩裂纹等缺陷，使现有的6063、6061等Al-Mg-Si系变形铝合金无法满足铸造生产的要求[9-10].为开发具有较高导热性能的铸造铝合金，本文研究了Si含量对Al-Si-Mg合金铸造流动性能、导热系数和力学性能的影响.

1 试验部分

1.1 试验材料

试验材料为Al-Si-Mg合金，是将工业纯铝(纯度99.7%)、工业纯镁(纯度99.8%)和速溶硅按一定比例经熔炼而成.熔炼设备为100 kg熔铝炉.采用SPECTROMAX光电直读光谱仪测定合金成分，测定结果列于表1.

表1 Al-Si-Mg合金的化学成分

Table 1 Chemical composition of Al-Si-Mg aluminum alloy

w/%

1.2 试验方法

采用坩埚电阻炉，在760 ℃将Al-Si-Mg合金加热熔化，经精炼、扒渣后，降温至720 ℃，静置30 min，然后将合金液浇注到预热温度为200 ℃的螺旋式流动性实验模具内，凝固冷却后测量试样的长度(图1).同时，将合金液浇注到预热温度为200 ℃的不锈钢金属模内，铸造成直径100 mm、高250 mm的合金锭.

在铸造流动性试样和合金锭上分别取样，经磨制、抛光和腐蚀后，用LEICA-DMI3000M金相显微镜观察样品组织.将合金锭试样加工成直径6 mm的标准拉伸试样，用DNS200电子拉伸机测试合金的抗拉强度和伸长率，拉伸速率为2 mm/min.用JEOL-JXA-8200型扫描电子显微镜观察拉伸试样的断口形貌，采用OXFORD-7412型能谱仪检测试样的第二相成分.用LFA447型激光导热仪测试合金在室温下的导热系数.

2 试验结果与讨论

2.1 Si含量对铸造流动性的影响

2.1.1 Si含量对流动性试样长度的影响

图1为不同Si含量Al-Si-Mg合金的铸造流动性试样的形貌.图2为Si含量对Al-Si-Mg合金铸造流动性试样长度的影响.由图1和图2可知，随着Si含量的增加，Al-Si-Mg合金铸造流动性试样的长度逐渐增加.当Si质量分数为0.84%时，试样长度为580 mm；当Si质量分数为3.23%时，试样长度增至784 mm.表明Si质量分数在0.84%～3.23%范围内，Si含量越高，Al-Si-Mg合金的铸造流动性越好.当Si含量从0.84%提高到3.23%时，Al-Si-Mg合金的铸造流动性提高了35.2%.

图1 不同Si含量Al-Si-Mg合金铸造流动性试样的形貌Fig.1 Morphologies of as-cast fluidity samples of Al-Si-Mg alloy with different Si content (a)w(Si)=0.84%；(b)w(Si)=1.59%； (c)w(Si)=2.36%；(d)w(Si)=3.23%

图2 Al-Si-Mg合金铸造流动性试样长度与Si含量的变化曲线Fig.2 Change curves between length of as-cast fluidity samples of Al-Si-Mg alloy and Si content

2.1.2 流动性试样的显微组织

图3为不同Si含量的合金铸造流动性试样的显微组织.由图3可知，当Si质量分数为0.84%时，试样组织为发达的α-Al树枝晶，枝晶臂互相搭接，晶间只有少量Al+Si共晶组织.随着Si质量分数增加，α-Al枝晶逐渐退化，晶粒趋于更加均匀，尺寸变小，同时晶间Al+Si共晶相增多.当Si质量分数增至3.23%时，试样组织主要由细小均匀的α-Al枝晶构成，晶粒尺寸更细小，晶间Al+Si共晶相也明显增多，如图3(d)所示.可见，Al-Si-Mg合金铸造流动性试样的显微组织是由α-Al枝晶晶粒、晶间Al+Si共晶相和Mg2Si相组成.

Al-Si-Mg合金在铸造凝固结晶过程中，首先形成α-Al枝晶，最后是晶间低熔点共晶液相发生凝固[11].当Si质量分数为0.84%时，由于Si含量较低，凝固结晶过程中首先形成粗大的α-Al树枝晶骨架，枝晶臂相互搭接后会阻碍晶间低熔点共晶液相的流动补缩，再加上共晶液相体积百分数也较少，因此合金铸造流动性差.这也是以6063和6061为代表的Al-Mg-Si系变形铝合金铸造生产容易产生缩孔和收缩裂纹等缺陷的主要原因.对于亚共晶合金，随着Si含量的增加，合金的结晶温度范围变窄，初生α-Al晶粒生长时间缩短，枝晶逐渐退化，晶粒趋于更加均匀，尺寸逐渐变小，这为晶间低熔点共晶液相提供了更多、更顺畅的流动补缩通道，再加上此时共晶液相体积分数也更多，因而Al-Si-Mg合金的铸造流动性更好[12-13].这说明，Si质量分数在0.84%～3.23%范围内，Si含量越高，Al-Si-Mg合金的晶间低熔点共晶液相越多，铸造凝固组织的α-Al枝晶晶粒更加细小，铸造流动性越好.

图3 不同Si含量Al-Si-Mg合金铸造流动性试样的显微组织Fig.3 Microstructures of as-cast fluidity samples of Al-Si-Mg alloy with different Si content (a)w(Si)=0.84%；(b)w(Si)=1.59%；(c)w(Si)=2.36%；(d)w(Si)=3.23%

2.2 Si含量对合金力学性能的影响

2.2.1 拉伸力学性能

图4为Al-Si-Mg合金的拉伸力学性能随Si含量变化的曲线.由图4可知，随Si质量分数增加，Al-Si-Mg合金的抗拉强度升高，伸长率下降.当Si质量分数为0.84%时，Al-Si-Mg合金的抗拉强度和伸长率分别为214 MPa和11.4%.当Si质量分数为3.23%时，Al-Si-Mg合金的抗拉强度和伸长率分别为236 MPa和9.2%.

图4 Al-Si-Mg合金铸态的拉伸力学性能随Si含量变化的曲线Fig.4 The relationship between mechanical properties and Si content variation of as-cast Al-Si-Mg alloy

2.2.2 Si含量对合金组织的影响

图5为不同Si含量Al-Si-Mg合金的扫描电镜显微组织.图6为晶间第二相的扫描电镜能谱分析结果.由图5可见， Al-Si-Mg合金的铸态组织是由α-Al树枝晶和晶间共晶相组成.由图6能谱分析可知，图5中浅灰色条状和颗粒状物的主要成分为Si和Al，表明其为(Al+Si)共晶相中的共晶Si相；黑色颗粒状和短条状物的主要成分为Mg和Si，Mg与Si的原子比接近2∶1，表明其为Mg2Si相，能谱分析结果中的Al应来自于Al基体.从图5可见，Si含量越高，α-Al树枝晶的晶界越宽，晶间的共晶Si和Mg2Si相的数量也越多.由于共晶Si和Mg2Si相对α-Al基体中的位错运动有钉扎作用，因而可以提高Al-Si-Mg合金抗变形能力.但共晶Si相为硬脆相，外加应力很大时容易破碎，容易成为变形过程中的裂纹源，会引起合金塑性下降[12].因此，随着Si含量的增加，Al-Si-Mg合金的抗拉强度提高，而伸长率下降.

图6 共晶Si相和Mg2Si相的扫描电镜能谱分析结果(a)共晶Si相；(b) M2Si相Fig.6 EDS analysis of eutectic Si phase and Mg2Si phase in as-cast Al-Si-Mg alloy(a)eutectic Si phase；(b)Mg2Si phase

图7 不同Si含量Al-Si-Mg合金的拉伸试样断口形貌Fig.7 Fracture morphology of Al-Si-Mg alloy with different Si content (a)w(Si)=0.84%；(b)w(Si)=1.59%；(c)w(Si)=2.36%；(d)w(Si)=3.23%

2.2.3 拉伸试样的断口形貌

拉伸试验中发现，不同Si含量的Al-Si-Mg合金拉伸试样断裂前都有较明显的颈缩现象.图7为不同Si含量Al-Si-Mg合金的拉伸试样断口形貌.从图7可看到，不同Si含量Al-Si-Mg合金拉伸试样的断口形貌都有韧窝.当Si质量分数为0.84%时，断口分布着均匀的等轴韧窝，如图7(a)所示.随Si含量增加，韧窝的尺寸变小，深度变浅，如图7(b)和(c)所示.当Si质量分数为3.23%时，断口上主要为尺寸较小、深度较浅的韧窝，如图7(d)所示.宏观上表现为材料的塑性降低，与图4所示结果一致.

2.3 Si含量对导热系数的影响

铝合金导热的物理过程本质上依赖于电子的运动，由一定的温度梯度作为驱动力，电子在定向运动的过程中通过不断碰撞将所携带的能量进行传递.电子在两次碰撞中运动的平均距离称为平均自由程，合金中电子的平均自由程受晶体结构完整程度的限制.温度梯度一定时，平均自由程越长则材料的导热能力越强.铝合金中元素固溶度越高，晶间第二相数量越多，引起铝基体晶格畸变越严重，破坏了铝基体中原子的有序程度和原有周期性电场的分布，产生缺陷和应力场，对电子的散射增强，平均自由程减小，从而导致铝合金导热性能下降[15-16].

随着Si含量的增加，晶界处析出的Al+Si共晶相和Mg2Si相的数量增加.虽然Si含量的增加对室温下Si原子在α-Al基体中固溶度的升高影响较小，但仍会增加Si原子在α-Al基体中固溶度[17].图8为Al-Si-Mg合金的导热系数与Si含量的关系曲线.从图8可见，随Si含量增加，Al-Si-Mg合金的导热系数逐渐下降.这是由于晶界处析出的Al+Si共晶相和Mg2Si相的数量增加，以及α-Al基体中Si原子的固溶度升高所致.当Si质量分数为0.84%时，Al-Si-Mg合金的导热系数为198.7 W/m·k.当Si质量分数为3.23%时，Al-Si-Mg合金的导热系数为186.3 W/m·k，导热系数下降了6.2%.

图8 Al-Si-Mg合金的导热系数与Si含量的关系曲线Fig.8 The curves thermal conductivity versus of Si content of Al-Si-Mg alloy

3 结 论

(1)随着Si含量的提高，α-Al枝晶晶粒得到细化，晶界上Mg2Si强化相和共晶Si数量增加，Al-Si-Mg合金的铸造流动性和抗拉强度得到提高，但伸长率和导热系数有所下降.

(2)当Si含量提高到3.23%时，Al-Si-Mg合金的铸造流动性试样长度为784 mm，抗拉强度和伸长率分别为236 MPa和9.2%，导热系数为186.3 W/m·k;与Si含量为0.84%的Al-Si-Mg合金相比，此时Al-Si-Mg合金的铸造流动性和抗拉强度分别提高了35.2%和10.3%，但伸长率和导热系数分别下降了19.3%和6.2%.

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Effects of Si content on microstructure and properties of as-cast Al-Si-Mg alloy

MAO Wenlong，YANG Hong，YANG Li，WANG Shuncheng，ZHENG Kaihong

GuangdongInstituteofMaterialsandProcessing，Guangzhou510650，China

TheeffectsofSicontentoncastingfluidity，thermalconductivityandmechanicalpropertiesofas-castAl-Si-Mgalloywasinvestigatedbyopticalmicroscope,flashthermalconductivitymeter,tensiletestingmachineandscanningelectronmicroscope.TheresultsshowthatwiththeincreasingofSicontent，thecastingfluidityofAl-Si-Mgalloyareimprovedduetotheincreaseofthenumberofeutecticliquidphaseandtherefinementoftheα-Aldendritegrain.ThetensilestrengthofAl-Si-Mgalloyisimproved，theelongationandthethermalconductivityaredecreasedduetotheincrementofthestrengtheningphaseamountofeutecticSiandMg2Sionα-Algrainboundaries.WhentheSicontentincreasedto3.23%,thelengthofcastingfluiditysampleofAl-Si-Mgalloyis784mm,thetensilestrengthandelongationare236MPaand9.2%，respectively，andthethermalconductivityis186.3W/m·k.

Al-Si-Mgalloy;castingfluidity;thermalconductivity;tensilestrength

2016-07-13

广东省科技厅科技计划项目(2014B030301012)，广州市科创委科技计划项目(201509010003)

毛文龙(1991-)，男，安徽阜阳人，硕士.

1673-9981(2016)04-258-06

TG146.21

A