维普资讯 http://www.cqvip.com 研究开发 文章编号：ｌＯ０７．６０ａ４｛．￣０７）０１．０００５．０３ Ａｌ—Ｓｉ系铸造铝合金材料的研究 潘连明，朱正锋，张国荣，周斌，章正晓 （中国南车集团戚墅堰机车车辆工艺研究所，江苏常州２１３０１１） 摘 要：对轨道交通用Ａｌ—ｓｉ系铸造铝合金在强韧化方面进行了探讨，分析了Ｓｉ、Ｍｇ、Ｃｕ等合金元 素和热处理工艺对Ａｌ—ｓｉ合金力学性能的影响。结果表明：合金化元素为主要影响因素，热处理 工艺为一般影响因素；Ｍｇ的添加强化了ｓｉ相的第二相强化作用，起到了强化叠加的作用；发展高 强度铸造Ａｌ—Ｓｉ合金不可忽视Ｃｕ元素的添加。 关键词：Ａ１一Ｓｉ系；铝合金；铸造 中图分类号：ＴＧＩ１５ 文献标识码：Ａ Ｒｅｓｅａｒｃｈ ｏｆ ＡＩ——Ｓｉ ｓｅｒｉｅｓ ａｌｕｍｉｎｕｍ ｃａｓｔｉｎｇ ｍａｔｅｒｉａｌｓ Ｐａｎ Ｌｉａｎ—ｍｉｎｇ，Ｚｈｕ Ｚｈｅｎｇ－ｆｅｎｇ，Ｚｈａｎｇ Ｇｕｏ—ｒｏｎｇ，Ｚｈｏｕ Ｂｉｎ，Ｚｈａｎｇ Ｚｈｅｎｇ－ｘｉａｏ （Ｑｉｓｈｕｙａｎ Ｌｏｃｏｍｏｔｉｖｅ＆ｒｏｉｌｉｎｇ Ｓｔｏｃｋ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ，ＣＳＲ，Ｊｉ ｇｓｕ Ｐｒｏｖｉｎｃｅ，Ｃｈａｎｇｚｈｏｕ ２１３０１１） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ ｔｏｕｇｈｅｎｉｎｇ ｏｆ Ａ１一Ｓｉ ｓｅ￣ｅｓ ａｌｕｍｉｎｕｍ ｃａｓｔｉｎｇｓ ｆｏｒ ｍａｓｓ ｔｒａｎｓｉｔ ｓｙｓｔｅｍ ｉｓ ｄｉｓｃｕｓｓｅｄ ａｎｄ ｔｈｅ ｅｆ－ ｆｅｃｔｓ ｏｆ ａｌｌｏｙｉｎｇ ｅｌｅｍｅｎｔｓ ｓｕｃｈ ａｓ Ｓｉ，Ｍｇ，Ｃｕ ｅｔｃ、ａｎｄ ｔｈｅ ｈｅａｔ ｔｒｅａｔｍｅｎｔ ｐｒｏｃｅｓｓ ｏｎ ｔｈｅ ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ｏｆ Ａｌ—Ｓｉ ａｌｌｏｙｓ ａｒｅ ｓｔｕｄｉｅｄ．ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔｓ ｉｎｄｉｃａｔｉｎｇ ｔｈａｔ ａｌｌｏｙｉｎｇ ｅｌｅｍｅｎｔｓ ａｒｅ ｔｈｅ ｐｒｉｍａｒｙ ｆａｃｔｏｒ ａｎｄ ｔｈｅ ｈｅａｔ ｔｒｅａｔｍｅｎｔ ｐｒｏｃｅｓｓ ｉｍｐｏｓｅｓ ｍｉｎｏｒ ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ；ｔｈｅ ａｄｄｉｔｉｏｎ ｏｆ Ｍｇ ｉｎｔｅｎｓｉｉｆｅｓ Ｓｉｌｉｃｏｎ’Ｓ ｓｅｃｏｎｄ ｐｈａｓｅ ｍｕｌｔｉｐｌｅ ｓｔｒｅｎｇｔｈｅｎｉｎｇ ａｃｔｉｏｎ ａｎｄ Ｃｕ ｐｌａｙｓ ａｎ ｉｍｐｏｒｔａｎｔ ｒｏｌｅ ｉｎ ｓｔｒｅｎｇｔｈｅｎｉｎｇ Ａ１一Ｓｉ ｓｅｒｉｅｓ ｃａｓｔｉｎｇｓ． Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：Ａｌ—Ｓｉ ｓｅｒｉｅｓ；ａｌｕｍｉｎｕｍ ａｌｌｏｙ；ｃａｓｔｉｎｇ ０前言 铝合金作为传统的金属材料，因其密度小，比强 度高等特点，已广泛应用于航空、航天、汽车、机械等 行业。在机车车辆上采用铝合金材料替代传统的钢 铁材料可以很好的减轻列车自重，因此开发适合轨 力学性能的影响，重点考察抗拉强度及延伸率。其 工艺流程图如图１所示。 道交通使用的高强韧铸造铝合金材料具有非常重要 的意义。 就铸造铝合金来说，目前应用最广泛的是Ａｌ— ｓｉ系铸造合金。Ａｌ—ｓｉ系铸造铝合金具有优良的铸 造性能和焊接性能；好的抗蚀性能和中等的切削加 图１ 试验工艺流程图 １．１试验工艺参数的选定 工性能；具有一定的强度和硬度，但塑性较低…。本 文对Ａｌ—ｓｉ合金强韧化和合金力学性能２方面进行 了探讨和研究。 正交试验考察的因素主要有：Ｍｇ、Ｓｉ、Ｃｕ、固溶温 度、固溶时间、时效温度、时效时间及各因素的水平 分布，如表１所示。按照正交表的选取原则，选择 Ｌ１８（３７）正交表。 １．２试验分析方法 ｌ试验方法 作者在以前工作的基础上，通过正交试验探讨 各合金元素及不同的热处理工艺对Ａｌ—ｓｉ系合金 收稿１３期：２００６—０５—０８；修回１３期：２００６—１０—１２ （１）化学成分分析 试验所制备的ＡＩＳｉＭｇ铸造铝合金中，主元素 Ｓｉ、Ｍｇ以及次元素Ｆｅ、Ｔｉ是在电感耦合等离子发射 光谱仪（ＩＣＰ法）上测得的。 （２）金相组织评定 ５ 作者简介：潘连明（１９７４一），男，工程师，硕士研究生。 维普资讯 http://www.cqvip.com 研究开发 试验所制备的Ａ１ＳｉＭｇ铸造铝合金，主要考察针 孔度，热处理前后的晶粒度，以及第二相ｓｉ的分布 情况。 （３）力学性能的评定 试验采用砂型单铸试棒，热处理后考察其抗拉 强度 及断后伸长率 。拉伸试验在ＷＩ一２５型 油压万能材料试验机上进行。 表１ 正交试验因素水平分布表 Ｍｇ Ｏ．２５ Ｏ．３５ ０．４５ Ｓｉ ５．０ ６．０ ７．Ｏ Ｃｕ Ｏ Ｏ．５ １．Ｏ 固溶温度／℃ ５２５ ５３３ ５４０ 固溶时问／ｈ ８ ｌ２ ｌ６ 时效温度／℃ １５Ｏ １５５ １６ｏ 时效时问／ｈ ４ ６ ８ ２试验结果 正交实验中，主要评定指标为抗拉强度及断后 延伸率，采用方差分析法，计算比较各因素对抗拉强 度及断后延伸率这２个指标及其综合效应的影响。 综合效应指标（Ｑ）综合考察该材料的抗拉强度和延 伸率。 Ｑ＝ＵＴＳ＋１５０１ｏｇＥ 其中：ｕ 一极限抗拉强度 ，Ｅ一延伸率 。其结果见图２一图４。 图２抗拉强度效应曲线图 从图２可以看出，极差 最大的是因素Ｍｇ、 ｃｕ，因此Ｍｇ和ｃｕ对于抗拉强度为主要影响因素。 从图３可以看出，极差 最大的是因素Ｍｇ、Ｓｉ，因此 Ｍｇ和ｓｉ对于断后延伸率为主要影响因素。从图４ 可以看出在各因素对抗拉强度及断后延伸率的综合 影响中，Ｍｇ、Ｓｉ、Ｃｕ三因素对材料的综合力学性能影 响较大。其他如固溶温度、固溶时间、时效温度及时 效时间为一般影响因素。 ６ 机车车辆工艺 第１期２００７年２月 图３延伸率效应曲线图 图４综合效应曲线图 ３分析讨论 （１）Ｓｉ对Ａ１ＳｉＭｇ合金力学性能的影响 由图５ Ａ１一Ｓｉ合金二元相图可知，ｓｉ在ａ—Ａｌ中 图５ ＡＩ—Ｓｉ二兀合金相图 的溶解度随温度的升高而增大，在室温下为０．０５％， 在５７７＂１２时为１．６５％，超过溶解度的硅以Ｂ相存在，Ｂ 相中仅能溶解极少量的铝，因此可以看作纯硅。对 于研究的高强韧铸造铝合金其硅含量大致处于５％ ～７％之间属于亚共晶型Ａｌ—Ｓｉ合金，在三元Ａｌ—Ｓｉ —Ｍｇ合金中，ｓｉ元素除了极少量的固溶于ａ—Ａｌ，少 量的与Ｍｇ形成ＭｇｚＳｉ中，其他的硅大多以单相硅的 形式存在。因此ｓｉ元素在Ａｌ合金中呈条状、棒状 分布，经热处理（固溶＋时效）后，其形态变为小块状 分布于晶界，如图６所示，故合金随着Ｓｉ含量的增 维普资讯 http://www.cqvip.com Ａｌ—Ｓｉ系铸造铝合金材料的研究 图６ Ａ｜ＳｉＭｇ合金热处理前后金相组织的变化 加其抗拉强度增大，延伸率下降，而正交试验的结果 也证实了这一点。图２中ｓｉ含量在６％强度出现了 低谷现象，这是由于正交试验计算误差造成的，随着 ｓｉ含量增加抗拉强度增大的趋势是不变的，这一点 已在以前的单项试验中得到过证实。 （２）Ｍｇ对Ａ１一ｓｉ合金力学性能的影响 在Ａｌ—Ｓｉ合金中加入镁就构成了Ａｌ—Ｓｉ—Ｍｇ 三元合金，Ａｌ—ｓｉ—Ｍｇ三元状态图的铝角部分如图 ７所示。 圈７ Ａｌ—Ｓｉ—Ｍｇ：兀状态图（铝角） 在所研究的Ａｌ—ｓｉ合金中，含有较高的硅和较 低的镁（一般镁含量都低于ｌ％），在５５８ ｏＣ时将发生 如下共晶转变：Ｌ—ａ＋Ｍｇ２Ｓｉ＋ｓｉ，因此Ａｌ—ｓｉ— Ｍｇ合金中存在ａ—Ａ１，Ｍｇ２Ｓｉ以及ｓｉ相，Ｍｇ２Ｓｉ为铝 基体中的强化相。图８是ＡＩ—Ｍｇ２Ｓｉ的伪二元状态 图。从图中可以看出，Ｍｇ２Ｓｉ在ａ一 中的溶解度在 ５９５￣Ｃ时达到１．８５％，并随着温度的下降而降低。在 正常的Ｔ６状态下，ａ一 中将析出分布弥散的ＭｇａＳｉ， 从而使合金得到强化。本次实验中合金成分Ｍｇ的含 量大体分布在０．２５％～０．４５％之间，含量较低。硅含 量越高，Ｍ Ｓｉ生成的几率越大，其相应的合金强度变 大，延伸率降低，故镁对合金性能的影响是与硅元素 叠加的结果。大体来讲合金随着镁含量的增加，强度 升高，延伸率下降，硅含量的增加强化了这种趋势。 图８ Ａ１一ＭｇａＳｉ伪二兀状态图 （３）ｃｕ对Ａｌ—Ｓｉ—Ｍｇ合金力学性能的影响 铜与铝的晶格常数相差很大，但铜能够固溶于 铝，因此在Ａｌ—Ｓｉ—Ｍｇ合金中加入铜元素将使铝的 点阵发生很大的畸变，产生很显著的强化作用，随着 铜含量的提高，强度急剧升高，延伸率剧烈下降。试 验选择的铜含量为０一１．０％，为较低的铜加入量， 在正交试验中表现为经热处理后，加铜的铝合金抗 拉强度大大提高，而延伸率大多下降较多。 ４ 结论 （１）在设计轨道交通用Ａｌ—ｓｉ铸造铝合金材料 时，应当重点考虑合金化学成分，特别是Ｍ Ｃｕ、Ｓｉ 等元素的添加量，而热处理工艺为一般影响因素。 （２）Ｍｇ的添加增强了Ａｌ—ｓｉ系铸造铝合金中ｓｉ 相的强化作用，生成的Ｍｇ２Ｓｉ起到了叠加强化的作 用。 （３）ｃｕ引入Ａ１一ｓｉ铸造铝合金中，大大提高了 其强度，降低了其延伸率。 参考文献： ［Ｉ］中国机械工程学会铸造专业学会主编．铸造手册・铸造非铁合金 ［Ｍ］．北京：机械工业出版社，１９９３．２． ［２］Ｇ．Ｅ Ｎａｇｅ１．Ａ３５７ ｔｙｐｅ ａｌｌｏｙ ｗｉｔｈ ｉｍｐｒｏｖｅｄ ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ［Ｊ］．ＡＦＳ Ｔｒａｍ， ８３—１５Ｉ：Ｉ５７—１６０． ■ （编辑：施翠燕） ７