原標題：擠壓鑄造A356.2鋁合金發(fā)動機懸置支架的組織與性能

摘要：以擠壓鑄造A356.2鋁合金發(fā)動機懸置支架為研究對象，對支架鑄態(tài)組織、不同固溶時效熱處理后的顯微組織與力學(xué)性能，以及內(nèi)部缺陷進行了分析研究。結(jié)果表明，擠壓鑄造A356.2鋁合金鑄態(tài)組織由α-Al相和Al-Si共晶組成，晶粒尺寸約為148μm、二次枝晶間距約為20 μm；經(jīng)固溶時效處理后，共晶Si一部分溶入α-Al相中，一部分以粒狀、球狀形式分布在α-Al晶界；固溶時間、時效溫度和時效時間對A356.2的力學(xué)性能有一定影響。試樣經(jīng)過535 ℃6 h固溶+170 ℃6 h時效+8 min水淬處理后，抗拉強度為340.5 MPa，屈服強度為274.5 MPa，伸長率為10 %，滿足支架整體力學(xué)性能要求。

發(fā)動機懸置支架是汽車懸置系統(tǒng)中重要的零部件，它不僅支撐發(fā)動機的質(zhì)量，而且傳遞作用于發(fā)動機的力和力矩，因此，懸置支架需要具有足夠的強度、剛度和使用壽命。目前，發(fā)動機懸置支架大多采用球墨鑄鐵鑄造。汽車輕量化背景下，能否在滿足懸置支架力學(xué)性能要求的前提下，采用質(zhì)量更輕的鋁合金來代替球墨鑄鐵生產(chǎn)懸置支架是本課題研究的主要目的。若采用其他鑄造工藝生產(chǎn)該零件，鑄件內(nèi)部品質(zhì)以及力學(xué)性能難以保證。本課題主要研究固溶時效熱處理工藝對擠壓鑄造A356.2鋁合金發(fā)動機懸置支架顯微組織與力學(xué)性能的影響，為工業(yè)化生產(chǎn)提供指導(dǎo)。

1、試驗方法

約為19 mm，零件熱處理后本體取樣的力學(xué)性能要求：硬度(HB)≥100，抗拉強度≥310 MPa，屈服強度≥250 MPa，斷后伸長率≥8 %，且鑄件內(nèi)部無氣孔、縮孔、縮松、夾雜等缺陷。

圖1：鋁合金發(fā)動機懸置支架實物圖

1.1、試驗材料和方法

試驗材料為A356.2鋁合金，其成分見表1。合金熔煉過程中需進行除氣、除渣和變質(zhì)處理。采用Sr變質(zhì)處理， Sr含量為0.01%~0.045%。試驗中選用宇部HVSC800PL臥式擠壓鑄造機，沖頭直徑為Φ125mm，將內(nèi)澆口設(shè)置在發(fā)動機懸置支架壁厚最大的位置，使金屬液在沖頭作用下反重力充型，見圖2。擠壓鑄造工藝參數(shù)：擠壓比壓為100 MPa，澆注溫度為700 ℃，模具溫度為200 ℃，擠壓速度（沖頭運動速度）采用分段調(diào)速，即第一段沖頭速度設(shè)置為180 mm/s，第二段沖頭速度設(shè)置為80 mm/s，第三段沖頭速度設(shè)置為50 mm/s，保壓時間約為75 s。

表1：A356.2鋁合金的化學(xué)成分

圖2：鑄件反重力充型示意圖

1.2、熱處理工藝

擠壓鑄造鋁合金懸置支架采用固溶時效熱處理。試驗選定了4種熱處理方案：方案①：535℃4 h固溶+155 ℃6 h時效+8 min水淬；方案②：535 ℃4 h固溶+160 ℃7 h時效+8 min水淬；方案③：535 ℃6 h固溶+ 170 ℃6 h時效+8 min水淬；方案④：535 ℃6 h固溶+180 ℃6 h時效+8 min水淬。

1.3、顯微組織分析及內(nèi)部缺陷觀察

顯微組織觀察試樣需經(jīng)過粗磨、細磨、拋光、腐蝕，腐蝕后的試樣用無水酒精清洗干凈，并用冷風(fēng)吹干。腐蝕劑為體積分數(shù)為2%的HF溶液。在Leica DFC295光學(xué)顯微鏡下觀察顯微組織形貌。固溶時效處理的懸置支架內(nèi)部采用X-射線無損探傷檢測，觀察其內(nèi)部縮松、縮孔、裂紋等缺陷。對懸置支架中可能存在的夾雜缺陷，采用顯微鏡對拉伸試棒斷口進行宏觀觀察。

1.4、力學(xué)性能測試

從熱處理后的支架中隨機選取試樣進行測試，在支架中間部位選取9個測試點，見圖3。硬度在HBE-300M布氏硬度計上測量，載荷為500 kN，加載時間為25 s，測量結(jié)果取平均值。在支架本體截取拉伸試棒進行力學(xué)性能測試，截取位置分別距離內(nèi)澆口15 mm與55 mm，見圖4。拉伸試棒見圖5。拉伸試驗采用三思UTM5105拉伸試驗機，載荷為100 kN，加載速度為1 mm/min。每種熱處理狀態(tài)下同一位置的拉伸試樣取2個，力學(xué)性能均取2次拉伸的平均值。

圖3：硬度取樣點位置

圖4：拉伸試樣取樣位置示意圖

圖5：拉伸試棒尺寸

2、試驗結(jié)果與分析

2.1、顯微組織

圖6為擠壓鑄造A356.2鋁合金的鑄態(tài)顯微組織。其中，灰色的樹枝晶為α-Al基體，黑色團狀區(qū)為Al-Si共晶組織，位于樹枝晶界，共晶硅呈纖維和短棒狀。由于A356.2合金中鎂含量較低，導(dǎo)致鑄態(tài)組織中Mg2Si相數(shù)量少且較細，在光學(xué)顯微組織中不容易被發(fā)現(xiàn)。利用ImageJ圖像處理軟件對擠壓鑄造A356.2鋁合金鑄態(tài)組織分析，得出α-Al晶粒尺寸約為148 μm，二次枝晶間距約為20 μm。擠壓鑄造A356.2鋁合金的晶粒尺寸與二次枝晶間距均小于金屬型重力鑄造、低壓鑄造尺寸，是因為鋁合金液在高壓下成形和凝固，鑄件與模具型壁貼合緊密，冷卻速度加快，晶粒得到明顯細化。

圖6：擠壓鑄造A356.2鋁合金鑄態(tài)顯微組織

圖7為擠壓鑄造A356.2鋁合金固溶時效處理后的顯微組織。圖7a、圖7b中橢圓形樹枝狀組織為α-Al基體，樹枝間隙為共晶組織（α+Si），其中灰色顆粒為共晶Si。對比鑄造組織可以發(fā)現(xiàn)，經(jīng)固溶熱處理，共晶組織形態(tài)發(fā)生較大變化，是因為共晶組織中Si相部分固溶到α-Al相中，導(dǎo)致Si相含量減少。隨著固溶時間增加，α-Al相由橢圓形向圓形轉(zhuǎn)化，見圖7e、圖7g。從圖7b、圖7d可以看出，當固溶時間為4 h時，可視區(qū)內(nèi)共晶Si呈離散分布，且顆粒數(shù)量較多；從圖7f、圖7h可以看出，當固溶時間增加到6 h時，共晶Si數(shù)量減少，且共晶Si尺寸也有一定程度減小，而時效溫度提高到180 ℃時，共晶Si數(shù)量明顯減少，Si越來越孤立且長大粗化，由粒狀、球狀向片狀轉(zhuǎn)變。

（a，b）535℃4h固溶+155℃6h時效；（c，d）535℃4h固溶+160℃7h時效；
（e，f）535℃6h固溶+170℃6h時效；（g，h）535℃6h固溶+180℃6h時效；

圖7：不同熱處理方案下擠壓鑄造A356.2鋁合金顯微組織

2.2、力學(xué)性能

不同熱處理試樣的力學(xué)性能數(shù)據(jù)見表2。可以看出，經(jīng)4種固溶時效，A356.2鋁合金硬度變化不大，均超過100HB，滿足發(fā)動機懸置支架的硬度要求。經(jīng)方案1熱處理后，試樣的平均抗拉強度為308 MPa，屈服強度為243 MPa，斷后伸長率為7%，3項力學(xué)性能指標均不能滿足使用要求。經(jīng)方案2熱處理后，試樣的平均抗拉強度為312.5 MPa，屈服強度為264 MPa，斷后伸長率為5.5%，在此方案下，抗拉強度和屈服強度均超過使用規(guī)定值，但斷后伸長率不能滿足使用要求。方案3熱處理下，試樣的平均抗拉強度為340.5 MPa，屈服強度為274.5 MPa，斷后伸長率為10%。可見，試樣經(jīng)方案3熱處理后，試樣的3項力學(xué)性能指標均超過了使用規(guī)定值，其中抗拉強度超過30.5 MPa，屈服強度超過24.5 MPa，斷后伸長率超過25%。方案4熱處理下，試樣的平均抗拉強度為313 MPa，屈服強度為268.5 MPa，斷后伸長率為5%。在此方案下，試樣的抗拉強度和屈服強度超過使用規(guī)定值，但斷后伸長率不能滿足使用要求。

表2：不同熱處理方案下試樣的力學(xué)性能

從試驗結(jié)果看，在固溶溫度（535℃）不變時，固溶時間、時效溫度和時效時間對A356.2鋁合金的力學(xué)性能均有一定的影響。固溶時間過短，不利于Si、Mg元素在α-Al相中充分擴散與溶解，降低固溶強化效果；固溶時間過長，會導(dǎo)致α-Al相粗化，降低材料的力學(xué)性能。A356.2鋁合金的固溶時間取6 h比較合理。

鋁合金在時效處理中顯微組織發(fā)生了α-Al→G.P.區(qū)→β′相→β相的轉(zhuǎn)變過程，轉(zhuǎn)變過程中伴隨強化相β′的析出，β′相與α-Al基體保持半共格，使晶格發(fā)生嚴重畸變，而起到強化作用。如果β′相能充分彌散均勻析出，可使強化效果達到最佳。當時效過程進一步延長時，β′相將進一步轉(zhuǎn)化為穩(wěn)定的β相。β相與α-Al基體是非共格關(guān)系，對基體的強化作用較弱，如果在時效處理過程中，β相發(fā)生粗化，對基體的強化作用將更差。因此，時效處理時，需要合理設(shè)置時效溫度和時效時間，以控制強化相的析出。時效溫度和時效時間主要影響共晶硅顆粒以及強化相的形態(tài)和分布。方案4與方案3相比較，將時效溫度由170 ℃提高到180 ℃，試樣的力學(xué)性能均出現(xiàn)明顯下降，尤其伸長率降低50%。這是因為，時效溫度提高后，共晶Si出現(xiàn)一定程度的粗化，且顆粒圓度得不到保證，從而導(dǎo)致材料力學(xué)性能下降。

2.3、內(nèi)部缺陷

對懸置支架中可能存在的縮孔、縮松以及氣孔缺陷，采用X射線進行無損探傷檢測，檢測結(jié)果見圖8?？梢钥闯觯T件未發(fā)現(xiàn)明顯的黑點、顯微縮孔以及樹枝狀的暗區(qū)，支架內(nèi)部品質(zhì)良好，縮孔、氣孔≤ASTM（美國材料與試驗協(xié)會）E115一級，滿足產(chǎn)品使用要求。試驗中，將內(nèi)澆口設(shè)置在發(fā)動機懸置支架壁厚最大的位置，且鋁合金液在沖頭作用下反重力充型，可以方便支架排氣、凝固補縮，對減少或消除支架中氣孔、縮孔、縮松等缺陷是有利的

圖8：X射線探傷檢測

圖9為部分拉伸試棒的宏觀斷口形貌?？梢钥闯觯嚢糁写嬖谥煌潭鹊膴A雜物（圖中a、b處），夾雜物的存在會影響鑄件的力學(xué)性能。鋁合金鑄件中常見的夾雜物缺陷主要有氧化物夾雜以及熔煉劑夾渣等，需要根據(jù)具體生產(chǎn)情況分析夾雜物可能產(chǎn)生的原因，提出相應(yīng)的解決辦法如。比如，夾雜物如果是氧化夾雜，應(yīng)在鋁液表面加覆蓋劑，以及定時進行扒渣，及時去除熔液表面氧化物；如果夾雜物是因為脫模劑及熔煉劑混入引起的，則應(yīng)控制脫模劑與熔煉劑用量，并每隔一段時間對模具進行清理。

圖9：拉伸試棒宏觀斷口

3、結(jié)論

（1）擠壓鑄造A356.2鋁合金鑄態(tài)組織由α-Al相和Al-Si共晶組成，晶粒尺寸與二次枝晶間距均小于金屬型重力鑄造、低壓鑄造尺寸；經(jīng)固溶時效處理后，共晶Si以粒狀、球狀形式分布在α-Al晶界。

（2）A356.2鋁合金懸置支架合理的熱處理方案為：535 ℃6 h固溶+170 ℃6 h時效+8 min水淬，熱處理后其抗拉強度為340.5 MPa，屈服強度為274.5 MPa，伸長率為10%，滿足支架整體力學(xué)性能要求。

（3）將內(nèi)澆口設(shè)置在發(fā)動機懸置支架壁厚最大的位置，且采用反重力充型的擠壓鑄造工藝，可以減少或消除支架中氣孔、縮孔、縮松等缺陷。

作者：
陳云 汪銳 鄧森 劉可佳
武漢理工大學(xué)物流工程學(xué)院

夏望紅
廣州金邦液態(tài)模鍛技術(shù)有限公司

本文來自：《特種鑄造及有色合金》雜志2020年第40卷第02期