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钛对AlSi7Mg0.3合金力学性能的影响

时间: 2011-07-08 21:02 来源: 作者: 王汝耀 鲁薇华< 点击:
摘要研究了钛对AlSi7Mg0.3合金金相组织和力学性能的影响。钛量超过0.12%,铝合金晶粒不再细化,而冲击韧度和伸长率急剧下降,抗拉强度缓慢上升,硬度变化甚微。力学性能如此变化可能是出现针状钛相造成的。AlSi7Mg0.3合金最佳钛量应在0.08%~0.10%范围内。此时,铁含量接近0.18%,合金仍保持较高的冲击韧度和塑性。
关键词:AlSi7Mg0.3合金最佳钛量力学性能细化作用

高强、高韧度AlSi7Mg0.3合金广泛用来制造航天、航空、汽车和交通运输等行业的复杂承载零件。

50年代以来,为进一步改善合金力学性能,普遍添加铝钛或铝钛硼中间合金细化铝晶粒[1,2]。例如,美国ASTM标准中规定钛含量范围在0.04%~0.20%。我国也规定钛量应在0.08%~0.20%。但生产提供的经验表明钛量在0.02%~0.15%范围内皆有令人满意的晶粒细化效果[3,4]。截至目前,对钛的细化作用的研究多集中在Al-Cu单相合金,涉及Al-Si合金的不多[3]。因之,本文目的在于明确钛对AlSi7Mg0.3合金的细化作用和对力学性能的影响,并探讨最佳钛量范围。

1试验方法

在汽车轮毂厂生产条件下用500 kg电阻炉熔配AlSi7Mg0.3合金。在690~710 ℃用氮气去气,并用AlSr10合金进行变质处理,静置10 min后浇注轮毂及Y型试块(20 mm×80 mm×220 mm)。金属模温控制在250 ℃左右。钛量和铁量根据试验方案用Al-Ti合金和不同级别的铝锭进行调整。表1列举试验合金的成分范围。

表1试验用AlSi7Mg0.3合金成分(质量分数/%)

试样随轮毂一起用连续式热处理炉进行固溶处理(535 ℃×6 h)和时效处理(135 ℃×8 h)。从Y型试块取拉伸试棒和无缺口冲击试块(10 mm×10 mm×55 mm)。从试样断口取样,观察合金金相组织。

2结果与分析

2.1力学性能

图1给出钛量对不同铁量的AlSi7Mg0.3合金抗拉强度、伸长率和冲击韧度的影响。一旦钛量超过0.12%,合金伸长率和冲击韧度开始下降,增至0.20%时,伸长率和冲击韧度分别下降20%和30%,抗拉强度微弱提升5%左右,而硬度没有明显变化。可见,钛量不宜超过0.12%,即接近ASTM和我国铝合金规范的下限。


图1钛量与AlSi7Mg0.3合金力学性能的关系

铁量对AlSi7Mg0.3合金冲击韧度和塑性的影响也十分显著。铁量由0.08%增加到0.21%,冲击韧度和伸长率分别下降了25%和30%,强度相应提高10%,变化幅度大体与钛的影响相当。

2.2金相组织

图2对比不同钛量AlSi7Mg0.3合金金相组织。钛量由0.08%提高到0.21%,未观察到铝枝晶形貌和尺寸出现明显变化。粒状硅相尺寸和分布也未受到影响。钛量超过0.12%以后,经常在α-Al枝晶内部发现呈淡红色和或块状钛相,如图中箭头1和2所示。钛的这种作用与文献[3,5]报道相同,钛量增至0.10%以上,铝晶粒尺寸不再减小。


a. 0.08%Ti~0.18%Feb. 0.21%Ti~0.18%Fe
图2不同钛量的AlSi7Mg0.3合金金相组织(热处理态)×100箭头1—针状钛相;箭头2—块状钛相

3讨论

通常认为钛的细化晶粒作用是铝与TiAl3之间包晶反应引起的。这些早期研究[1,2]仅限于Al-Si二元系,因之,引出如下看法:只有钛超过0.15%,才可以进行包晶反应,TiAl3才可充当铝晶核细化晶粒。这一临界值与生产实践(0.02%~0.15%)不符合,也不为本工作所证实。这种差别与合金成分有关。1987年Mondolfo更详细的研究[6]证实Fe,Mn,Zn,Mg,Cu等依次降低Al-Ti包晶反应温度和钛在铝液的溶解度。Mg和Cu最强,可使钛的溶解度降至0.08%以下。如有硼存在,钛溶解度降至0.03%。故钛的临界值下降到0.10%以下。今所用AlSi7Mg0.3合金含有Si和Mg,其对钛溶解度的联合作用又如何,有待研究。从生产统计结果看,钛量小于0.08%,即可显示晶粒细化效果。至于为什么钛量大于0.12%,细化作用不再增加,可做如下探讨。

作者曾用JCXA-733波谱仪测得AlSi12CuMg合金基体含钛量大约在0.12%~0.16%范围之内,平均为0.14%,与文献[6]公布的数值相近。倘若钛量超过此值,钛将以针状或块状AlSiTi金属间化合物形式出现,如图2b中箭头所示。

钛量在0.08%~0.10%之间,由于晶粒得到充分细化,合金冲击度性和塑性随之提高[4~6]。相反,钛量超过0.12%,晶粒细化作用逐步停止,并且析出了针状或块状金属间化合物,这就降低了合金的冲击韧度和塑性,并使强度的增加逐渐减弱。因之,钛含量以0.08%~0.10%为最佳值,可保证合金具有最大的韧性和塑性。

许多工厂为保证合金具有足够的韧性和塑性往往着重降低铁含量,忽视了钛作用的两重性,经常采用低铁高钛的办法,这就给生产操作和管理带来许多不便,还提高了生产成本。相反,降低钛量至0.08%~0.10%,即使铁量接近0.18%,合金冲击韧度也可达到40 J/cm2,伸长率保持在12%,强度也很高,还降低了成本,方便了现场工艺和管理。

4结论

AlSi7Mg0.3合金含钛量最佳范围为0.08%~0.10%。过高将使合金韧性和塑性急剧下降。

作者单位:中国纺织大学

参考文献
[1]Mondolfo L F. Aluminium Alloy: Structure and Properties. London. Butterworths. pp385.1976.
[2]Mondolfo L F. Grain Refinement in the Casting of Non-Ferrous Alloys. Grain Refinement in Castings and Welds. Metallurgical Society of AIME 1983,3~50
[3]Sigworth G K and Guzowski M M. Grain Refining of Hypoeutectic Al-Si Alloys. AFS Trans. 1985(93)907~912
[4]Gruzleski J E and Closset B M. The Treatment of Liquid Aluminium-Silicon Alloys. AFS Inc.1990,133~137
[5]Robert M H, Cupini N L. Aluminium Grain Refinement by Nb, Zr and Ti Additions and Their Role in Mechanical and Electrical Properties. Preprint of Solidification Processing. Sheffiel. U K. 1987 124~126
[6]Mondolfo L F. Grain Refinement of Aluminium Alloy by Titanium and Boron Preprint of Solidification Processing, Sheffiedl U K. 1987 104~106(end)

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