原標(biāo)題：Mg含量對(duì)汽車底盤副車架用AlSi7Mgx鑄造鋁合金組織及性能的影響

摘要

基于汽車底盤副車架安全性能的考慮，采用金屬型鑄造工藝及AlSi7Mgx鋁合金制備了汽車底盤副車架，并從其本體上進(jìn)行試棒取樣，研究了Mg含量對(duì)其組織和性能的影響；選用合適成分的材料生產(chǎn)，避免性能不足或成本增加。研究結(jié)果表明，隨著Mg含量（0.28%~0.33%，質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同）的增加，試棒微觀組織共晶硅細(xì)化且析出比增大，同時(shí)Mg2Si相隨之增多，抗拉強(qiáng)度由282.95 MPa增加至309.88MPa，伸長(zhǎng)率由7.79%增加至10.72%，布氏硬度由HBW77增加至HBW88.4，屈服強(qiáng)度從246.73 MPa減小至228.40 MPa。其中Mg含量為0.3%時(shí)，材料的綜合性能達(dá)到最佳且避免了增加成本，屈服強(qiáng)度236.97MPa、抗拉強(qiáng)度302.44 MPa、伸長(zhǎng)率9.27%，布氏硬度HBW83.4。

汽車行業(yè)發(fā)展至今，消費(fèi)者對(duì)汽車的安全性要求越來(lái)越高，車企也在為汽車的安全性能不斷進(jìn)行材料革新和技術(shù)革新。其中底盤副車架在保障汽車安全性中發(fā)揮著重要作用。從材料上看，目前市場(chǎng)上主要分為鋁合金副車架和鋼制副車架。相比于傳統(tǒng)的鋼制副車架，鋁合金副車架通常由Si-Mg系鋁合金鑄造制成，具備質(zhì)量輕、成形加工性能優(yōu)良、耐腐蝕性能好和易于回收再利用等優(yōu)點(diǎn)。并且在發(fā)生碰撞時(shí)，由于Al-Si-Mg系合金的特點(diǎn)，副車架能更有效地將承受的縱向力向左右各兩道縱梁處分散，能吸收更多的碰撞能量。因此，應(yīng)用鋁合金副車架成為實(shí)現(xiàn)汽車輕量化的重要途徑，同時(shí)也對(duì)鋁合金副車架的抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度及伸長(zhǎng)率等力學(xué)性能提出了更高要求。

隨著Si-Mg系鑄造鋁合金的廣泛應(yīng)用，針對(duì)其力學(xué)性能、晶相的形成機(jī)理，有關(guān)汽車用鑄造鋁合金的研究重點(diǎn)逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)榉治龊辖鸾M分對(duì)合金整體性能的影響。陳忠偉等研究了Mg含量分別為0、0.35%和0.70%的Al-7%Si-Mg鑄造合金的微觀組織和力學(xué)性能，結(jié)果表明隨著合金中Mg含量的增加合金的抗拉強(qiáng)度呈增大趨勢(shì)、伸長(zhǎng)率呈降低趨勢(shì)。喬振等研究了不同含Li含量對(duì)Al-7Si-0.5Mg合金顯微組織和性能的影響，結(jié)果表明隨著Li含量的增加，凝固組織中初晶硅數(shù)量增多，且尺寸變大，其形狀也由卵狀逐漸變?yōu)槿菭睿⑶液辖鸬纳扉L(zhǎng)率逐漸下降，抗拉強(qiáng)度逐漸升高。潘英才等研究了Si、Mg含量變化對(duì)Al-Mg-Si-Li合金組織和性能的影響，結(jié)果表明隨著Si含量增加，組織中初晶Si呈粗大化和不規(guī)則化增長(zhǎng)，隨著Mg含量的增加，組織中α-Al相和初晶Si細(xì)化且數(shù)量減少，共晶組織增多，合金的力學(xué)性能得到提高，但過(guò)量的Mg使得合金出現(xiàn)魚骨狀的Mg2Si組織，降低了合金的力學(xué)性能。牛艷萍等研究了Si含量對(duì)Al-Si-Mg合金鑄造性能的影響，結(jié)果表明隨著Si含量的提高，Al-Si-Mg合金的流動(dòng)性、抗拉強(qiáng)度均得到提升，但伸長(zhǎng)率和熱導(dǎo)率有所下降。李佳雙等研究了Si、Mg對(duì)Al-Mg-Si合金顯微組織與顯微硬度的影響，結(jié)果表明隨著Si含量的增加，組織中α-Al枝晶變得細(xì)小，合金顯微硬度也隨之提高，隨著Mg含量的增加，α-Al初生晶粒逐漸增大，合金顯微硬度先增大后減小。胡歐林等研究了Mg、Cu含量變化對(duì)Al-Si-Mg系合金T6熱處理后組織與性能的影響，結(jié)果表明隨著Mg含量的增加，合金的二次枝晶臂間距減小，Mg2Si強(qiáng)化相增多，隨著Cu含量的增加，共晶Si由片狀逐漸轉(zhuǎn)變成細(xì)小彌散分布的球狀。目前，有關(guān)合金組分對(duì)合金組織和性能的影響研究較多，但這些理論上的研究很少涉及到實(shí)際工程中的應(yīng)用，關(guān)于元素含量變化對(duì)汽車零部件熱處理后性能的影響研究較少。

本文以某品牌AlSi7Mgx合金副車架為研究對(duì)象，重點(diǎn)分析在T6熱處理工藝的條件下，Mg含量對(duì)鋁合金副車架微觀組織的影響及力學(xué)性能的變化趨勢(shì)，以期望為優(yōu)化鋁合金整體式副車架的力學(xué)性能以及企業(yè)改善鑄件力學(xué)性能提供參考。

1 試驗(yàn)過(guò)程與方法

本試驗(yàn)采用A356鋁合金（重慶順博）作為副車架的基體材料，其化學(xué)成分如表1所示。使用集中熔煉爐（一種塔式設(shè)備，負(fù)責(zé)將固體鋁錠融化成鋁液，方便后續(xù)將鋁液轉(zhuǎn)運(yùn)至坩堝爐內(nèi)進(jìn)行后續(xù)處理）對(duì)A356鋁合金錠進(jìn)行集中熔煉，每6 h進(jìn)行一次打渣、除氣工藝。確保金屬液無(wú)氧化渣后轉(zhuǎn)運(yùn)至坩堝爐內(nèi)，待熔體溫度達(dá)到720 ℃左右，先后將精煉細(xì)化劑AlTi5B合金、變質(zhì)劑Al-Sr中間合金壓入坩堝中，并使用石墨棒攪拌均勻，期間使用Al錠以及純度為99.99%的Mg錠等進(jìn)行元素含量的調(diào)整，保證鋁液中合金元素的含量在標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)。通過(guò)調(diào)整Mg錠的加入量分別制成Mg含量為0.28%、0.30%和0.33%的待澆注金屬液，之后在坩堝爐內(nèi)進(jìn)行二次打渣，進(jìn)一步確保鋁液質(zhì)量。二次打渣完成后，通入氮?dú)膺M(jìn)行除氣，減少鋁液內(nèi)的含氫量，減少鑄件內(nèi)部針孔。金屬液制備期間通過(guò)直讀光譜儀檢測(cè)，每個(gè)鋁液樣本共取樣成分點(diǎn)3個(gè)，每個(gè)點(diǎn)位嚴(yán)格控制Mg含量處于0.28%~0.33%，并確保保溫時(shí)間不超過(guò)8 h。隨后將熔體轉(zhuǎn)運(yùn)至低壓鑄造機(jī)，調(diào)整熔體溫度為715 ℃，以低壓鑄造的方式生產(chǎn)出不同Mg含量的AlSi7Mgx鋁合金前副車架。

表1 A356鋁合金化學(xué)成分 wB/%

澆注完成后，對(duì)所得不同Mg含量的鑄件進(jìn)行切鋸清刺等處理去除加工余量，圖1所示為AlSi7Mgx鋁合金前副車架的毛坯件。將Mg含量分別為0.28%、0.30%和0.33%的毛坯件各取5件進(jìn)行表2所示的T6熱處理。對(duì)熱處理后的鑄件按照客戶要求的位置取樣，并通過(guò)線切割制備金相試樣和標(biāo)準(zhǔn)拉伸試棒，圖2所示為取樣位置及拉伸試棒尺寸示意圖。通過(guò)計(jì)算3組不同Mg含量鑄件的力學(xué)性能試驗(yàn)平均值，作為衡量所得鑄件力學(xué)性能的依據(jù)。

圖1 某款前副車架的毛坯圖

表2 AlSi7Mgx鋁合金熱處理工藝

圖2 取樣位置及拉伸試棒尺寸

2 結(jié)果與分析

2.1 金相組織

使用線切割獲得試樣尺寸約為6 mm×6 mm×10 mm，選擇較為平整的面進(jìn)行打磨，直至表面沒(méi)有明顯的切割斷口后進(jìn)行拋光；隨后使用超聲波清洗儀清洗試樣；最后使用體積分?jǐn)?shù)為5%的HF酸腐蝕拋光面約30 s后用酒精沖洗并吹干，用鑷子將其放在電子顯微鏡下觀察金相組織。圖3所示為不同Mg含量的AlSi7Mgx前副車架熱處理后試樣的金相組織圖像。從圖中可以看出，隨著Mg含量的增加，金相組織中的晶粒尺寸隨之減小，晶粒尺寸越小，合金的抗拉強(qiáng)度和伸長(zhǎng)率越高，這是由于Mg含量的增加會(huì)引起成分偏析和形核增加，進(jìn)而阻礙晶粒長(zhǎng)大。

圖3 不同Mg含量副車架試樣的金相組織

Mg含量的增加也會(huì)改變共晶硅的形態(tài)，使其由短棒狀或大顆粒轉(zhuǎn)變或細(xì)小顆粒狀，這種轉(zhuǎn)變對(duì)基體α-Al的割裂作用降低，降低了產(chǎn)生應(yīng)力集中的可能性，提高了合金的斷裂韌性和抗拉性能。圖4所示為Mg含量為0.33%的鑄件組織XRD圖譜。結(jié)合圖3（c），可以觀察到，當(dāng)Mg含量為0.33%時(shí)，金相組織中有少量呈現(xiàn)深色顆粒狀的Mg2Si相，這說(shuō)明溶解在鋁基體中的Mg會(huì)與Si反應(yīng)，形成Mg2Si相，隨著Mg含量的增加Mg2Si相的析出量增多，能有效提高合金的抗拉強(qiáng)度和硬度。

圖4 Mg含量為0.33%的XRD圖譜

為了進(jìn)一步量化Mg含量對(duì)AlSi7Mgx前副車架熱處理后組織的影響，繪制晶粒尺寸隨Mg含量變化的分布直方圖如圖5所示。由圖5可知，加壓壓力在450 MPa，加壓時(shí)間5 s的壓力環(huán)境中鋁液進(jìn)行成型凝固，隨著Mg含量的增加，組織中晶粒尺寸呈顯著減小的趨勢(shì)，當(dāng)Mg含量為0.28%時(shí)，晶粒尺寸集中分布在3.5 μm左右，且晶粒尺寸最大超過(guò)了4.5 μm；當(dāng)Mg含量為0.30%時(shí)，晶粒尺寸集中分布在2.9 μm左右，99%的晶粒尺寸都在4 μm以下；當(dāng)Mg含量為0.33%時(shí)，組織中晶粒的尺寸最大僅為3.1 μm。這表明隨著Mg含量的增加，所得鑄件的力學(xué)性能得到了顯著增強(qiáng)。

圖5 不同Mg含量副車架試樣的晶粒尺寸分布直方圖

2.2 力學(xué)性能

采用WDW-100萬(wàn)能拉伸試驗(yàn)機(jī)、里氏數(shù)顯硬度計(jì)進(jìn)行鑄件屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、伸長(zhǎng)率和硬度等主要力學(xué)性能參數(shù)測(cè)試，試驗(yàn)中設(shè)定拉伸速率為0.1 mm/min，試驗(yàn)負(fù)荷設(shè)定為980 N加載5 s。表4為不同Mg含量的副車架用AlSi7Mgx鑄造鋁合金經(jīng)過(guò)T6熱處理后不同試驗(yàn)組試樣的力學(xué)性能參數(shù)。從表4測(cè)試結(jié)果可以看出，Mg含量在0.28%~0.33%時(shí)，所有力學(xué)性能均達(dá)到客戶要求的最低值。另外，通過(guò)對(duì)比表4中各項(xiàng)力學(xué)性能的平均值，可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)Mg含量為0.28%時(shí)，試樣的抗拉強(qiáng)度、伸長(zhǎng)率和硬度值均最小；當(dāng)Mg含量為0.30%時(shí)，試樣的屈服強(qiáng)度最大，為246.73 MPa。而當(dāng)Mg含量為0.33%時(shí)，試樣的抗拉強(qiáng)度、伸長(zhǎng)率和硬度值均最大，但其屈服強(qiáng)度最小。

表4 某款前副車架試樣力學(xué)性能

根據(jù)表4中的力學(xué)性能的平均值，可以繪制出不同Mg含量材料的各項(xiàng)性能對(duì)比圖和趨勢(shì)圖。其中，圖6為不同Mg含量材料的硬度值，圖7為不同Mg含量抗拉試棒的伸長(zhǎng)率，圖8為不同Mg含量抗拉試棒的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度。從圖6中可以看出，隨著Mg含量（0.28%~0.3%）的增加，某款前副車架本體材料的硬度逐漸增大，到Mg含量為0.33%時(shí)，硬度值達(dá)到最大HB88.4。這是由于Mg元素增加，熱處理后析出形成的Mg2Si相增多，分布在鋁基體中，這個(gè)過(guò)程稱為沉淀硬化，能夠顯著增強(qiáng)合金的硬度。

圖6 不同Mg含量材料的硬度值

從圖7中可以看出，隨著Mg含量（0.28%~0.33%）的增加，某款前副車架本體材料的伸長(zhǎng)率逐漸增大，這表明隨著Mg含量的增加，材料的韌性逐漸增強(qiáng)。其原因在于Mg含量的增加能夠細(xì)化的共晶硅，使硅相能更均勻地分布于鋁基體中，應(yīng)力分布更加均勻，從而增強(qiáng)了合金材料的韌性。

圖7 不同Mg含量抗拉試棒的伸長(zhǎng)率

從圖8中某款前副車架本體材料屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度隨Mg含量（0.28%~0.33%）變化的趨勢(shì)可以看出，隨著Mg含量的增加，材料的抗拉強(qiáng)度隨之增大，但屈服強(qiáng)度先增加后減小。抗拉強(qiáng)度增大，是由于當(dāng)Mg含量增加時(shí)，Mg2Si相增多，這些細(xì)小的、分布均勻的Mg2Si顆粒能有效阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)，從而提高合金的抗拉強(qiáng)度。此外，適當(dāng)?shù)腗g含量還能優(yōu)化合金的固溶強(qiáng)化和沉淀強(qiáng)化效果。屈服強(qiáng)度先增大后減小，是由于隨著Mg含量的增加并形成更多的強(qiáng)化相Mg2Si，強(qiáng)化相能夠影響材料開(kāi)始塑性變形的應(yīng)力水平，屈服強(qiáng)度則隨之增加。然而，當(dāng) Mg含量過(guò)高時(shí)，可能導(dǎo)致第二相聚集形成較大的粒子，這可能對(duì)材料的塑性變形機(jī)制產(chǎn)生不利影響，進(jìn)而可能使導(dǎo)致屈服強(qiáng)度的降低。

圖8 不同Mg含量抗拉試棒的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度

從以上圖表的分析結(jié)果可知，為保證某款前副車架本體材料的各項(xiàng)力學(xué)性能滿足客戶要求且避免投料增 加導(dǎo)致成本上升，則應(yīng)選擇Mg含量為0.30%的AlSi7Mg0.3鑄造鋁合金，此時(shí)材料的屈服強(qiáng)度236.97MPa、抗拉強(qiáng)度302.44 MPa、伸長(zhǎng)率9.27%、布氏硬度HB83.4。

3 結(jié)論

（1）隨著Mg含量的增加，材料金相組織中晶粒得到細(xì)化，共晶硅由短棒狀逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)榧?xì)小顆粒狀，同時(shí)Mg2Si相的析出量增多。

（2）T6熱處理后的AlSi7Mgx鑄造鋁合金的抗拉強(qiáng)度、伸長(zhǎng)率和硬度值均隨著Mg含量（0.28%~0.33%）的增加而增大，而屈服強(qiáng)度則先增大后減小。

（3）實(shí)際生產(chǎn)中可以根據(jù)產(chǎn)品力學(xué)性能的實(shí)際情況，通過(guò)調(diào)控合金中Mg的含量來(lái)改變力學(xué)性能，從而使鑄件力學(xué)性能符合要求的同時(shí)不出現(xiàn)性能過(guò)剩，某款前副車架本體材料選擇Mg含量為0.30%的AlSi7Mg0.3鑄造鋁合金最佳。

作者：
李連馳 馬小軍 劉海濱 蘇為強(qiáng)
湖北航特裝備制造股份有限公司

本文來(lái)自：鑄造雜志