摘要：研究了Si、Mg元素對A356合金流動性能的影響，研究結果表明：在A356合金中，Si元素和Mg元素在允許范圍內適當增加添加量，分別使鋁合金流動性提高29.8%和14.34%。

　　關鍵詞：A356合金；流動性；成分調節

　　A356合金是Al－Si－Mg系亞共晶鑄造合金，國內捭號為ZL101A，主要用于汽車輪轂等的制造。隨著汽車工業的發展，鋁輪轂的造型越來越復雜精細，使鑄造加工過程中許多位置都涉及薄壁充型問題^[1]，因此，對A356合金的充型性能提出了更高的要求。在生產實際中，經常出現這樣的問題對不同廠家同一牌號的合金錠進行重熔鑄造，在輪轂的薄壁部位充型能力出現明顯差異。為了弄清這個問題，作者Si、Mg這兩個A356合金中的主要元素為研究對象，圍繞其對流動性的影響展開試驗研究。

　　本研究目的是發現A356合金元素在標準要求范圍內的成分起伏，對合金鑄造性能的影響規律，尋找最佳的元素添加量，為配制和生產高質 A356合金提供參考。

　　1 試驗材料與方法

　　試驗材料為電解鋁錠、工業硅和工業鎂錠，分析儀器為Axiophot光學金相顯微鏡，Philips XL 30 ESEM—TMP SEM掃描電子顯微鏡，PULSAR（A30）金屬元素分析儀。合金流動性能采用復溝式流動性測試模進行分析（如圖l所示），流動指數由該合金在復溝模中的凝固長度確定。熔煉采用石墨坩堝，將Si或者Mg按照配比，用鋁箔包好埋在鋁錠下，每次用Al為500g，升溫至720℃進行重熔，保溫40min，采用C2Cl6除氣精煉，靜置，降溫至690℃，直接澆入H13鋼復溝式流動性測試模中，每次澆鑄獲得4個流長試樣，取長度平均值進行分析，同時取樣進行金相分析。

　　流動性測試模涂料采用50％分析純ZnO、30％無水乙醇和20％蒸餾水配成，高壓噴槍均勻噴涂，烘干，在恒溫干燥箱中60℃保溫待用。鐘罩、料勺、坩堝等工具用20％水玻璃、40％Ca0、40％蒸餾水配成的涂料均勻涂覆，200℃烘干待用。

圖1 流動性測試儀

　　2 試驗結果及分析

　　表l列出A356合金標準元素含量，由表中可以出，Si、Mg元素是A356合金的主要元素，其成分在標準中波功范圍比較小。試驗中為了加強區分度，在研究Si元素影響時,將Mg元素固定在中間值w（Mg）＝0.3％，將Si元素成分調節范圍放大為w（Si）＝0％～11％；同理，在研究Mg元素影響時，將Si元素含量固定為中間值w（Si）＝7％，將Mg元素成分調節范圍擴大為w（Mg）＝0～0.5%，這樣可以在獲得流動性總體變化趨勢的情況下，發現所需部分細致的變化規律。

表1  A356合金各合金元素的質量分數（HB962 － 86） 　　　　　　　　　　　　％

Si

Mg

Ti

Cu

Mn

Ni

Zn

Sn

Pb

Fe

其他

Al

單個

合計

6.5～7.5

0.2～0.4

0.15

0.2

0.5

0.3

0.01

0.05

0.1

0.05

0.15

余量

 

　　試驗采用掃描電鏡分析A356合金凝固過程中拉伸斷口（見圖2），SEM圖像顯示亞共晶鋁合金中存在發達的初生α－Al樹枝晶，大的樹枝晶迅速生長，阻塞流道應該是合金熔液失去流動性的主要原因。研究表明，流動性高低與α相晶粒大小存在某種相關性。

圖2  A356合金初生鋁形貌

　　2 Si對w（Mg）＝0.3％鋁合金流動性的影響

　　A356合金中，w（Mg）＝0.2％～0.4%，每次試驗的w（Mg）為中間值0.3％，通過w（Si）＝0％～11％i的含量變化，獲得Mg含量不變，Si含量變化時對合金流動性的影響，試驗數據如表2所示（其中，流長為合金在流動性測試儀四條流道中流動的平均長度）。

　　根據表2的試驗數據，可以獲得圖3所示的流動性變化趨勢圖。試驗結果顯示，作為主要的合金元素，Si的加入，對合金流動性的影響很大。改組試驗中，保持w（Mg）＝0.3%，沒有變化.

表2對含w（Mg）＝0.3％鋁合金流動性的影響

序號	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10
w(Si)/%	0	1.51	3.03	5.1	6.54	7.03	7.52	8.53	9.54	11.01
流長/mm	200	66.51	102.9	88.43	90.46	99.46	117.42	157.88	147.25	198.75

　　Si是A356合金的主要元素，微量Si的加入使w（Mg）＝0.3％鋁合金的流動性急劇下降，當w（Si）＝0.3％，w（Mg）＝0.3％時，其流動性為200 mm；當w（Si）＝1.5％時為66.5 mm，降幅為66.75％．但隨著Si含量的繼續增加，合金流動性開始緩慢上升，當w（Si）＝11%，試驗中由于Si加入使流動性降低的現象明顯改善，流動性恢復到w（Si）=0％時，即試驗開始時第一數據點的流動性水平。分析認為，微量Si的加入使Al —0.3Mg合金流動性急劇下降的原因在于，微量Si與Mg結合生成Mg2Si，由于后者含量甚微，大多以固溶形式存在于α—Al基體中^[2－3] 。固溶物與基體存在晶體結構和熱物理性能差異，Al的導熱系數為2.23 J／(cm·s·℃），Mg₂Si的導熱系數為2.92 J／（cm·s·℃）～7.69×10^-3J／（cm·s·℃），相差3個數量級，導致局部區域溫度場不均勻，使α－Al晶體生長過程中原子堆垛發生異常，形成高能量畸變點^[4-6]，改變了初生相晶體生長的熱擴散和原子擴散環境，使合金凝固區間擴大，從而使流動性急劇下降。

　　通過金相組織分析（見圖4），對于w（Mg）＝0.3％鋁合金，w（Si）＝8.5%。合金的流動性比w（Si）＝5％的好的原因在于Si含量逐漸增加，會形成微小區域范圍的Si偏聚^[7-8]，初生Al晶粒長大將把這些Si元素偏聚的微區推擠到流道中心，使中心部位熔體Si濃度增加，由于Si結晶潛熱為1.8kJ／g，Al結晶潛熱為0.4kJ／g，增加了中心部位熔體的蓄熱量，從而使得熔體流動性相對有所增加；但是，中心部位Si濃度增加，容易形成針狀或者片狀Si晶粒，呈水草狀聚集在一起，生長成共晶硅^[9]，容易堵塞流道，所以流動性增加幅度有限。在放大后的金相組織圖4c中，可以清楚地看到流道中心部位呈針狀和水草狀共晶硅的聚集，它的存在對流動性的作用既有促進性也有阻礙性、誰占主導．由具體的澆鑄過程流道幾何形狀和凝固速度來決定。

圖3  硅含量變化對w（Mg）＝0.3％鋁合金流動性影響趨勢

圖4 不同Si含量的A356鋁合金（w（Mg）＝0.3％）組織比較

　　比較圖4a、b及c、d兩組金相照片，可以發現：Si含量繼續增加，在α－Al周圍Si濃度逐漸達到共晶濃度，因此在初生相周邊就形成共晶Si，阻礙初生Al相的生長，從而獲得晶粒相對較小的合金組織，細小且均勻的晶粒有助于合金熔體流動性的提高。另一方面，Si含量的增加使鋁合金整體過冷度增大，也有助于流動性的提高。

　　本文的研究還發現，w（Mg）＝0.3％鋁合金金流動性隨Si含量的增加逐漸提高，其中，w（Si）由6.5％增加到7.5％，該鋁合金流動性增長幅度達到29.8％。該區間正是A356合金中Si元素的成分波動范圍，試驗顯示，在A356合金w（Mg）＝0.3％時，適當增加Si元素的含量，有利于流動性的提高。

　　１．Mg對w（Si）＝7％鋁合金流動性的影響　　 

　　為了獲得Mg元素對A356合金流動性的影響規律，試驗中，將w（Si）控制在A356合金標準范圍的中間值7％，在此基礎上對Mg元素含量進行w（Mg）＝0％～0.5％的變化，以期獲得Mg元素對w（Si）＝7％鋁合金流動性的影響趨勢，及在A356合金標準成分范圍內，Mg元素含量波動造成對流動性的影響情況。

　　由表3及圖5的試驗結果顯示：微量Mg的加入可以使w（Si）＝7％鋁合金流動性急劇下降，但是，隨著Mg元素添加量的增加，w（Si）＝7％鋁合金流動性又會平緩上升。表3中，Mg元素的含量來自于金屬元素分析儀對試樣進行分析的結果，即試樣中的最終含Mg量。w（Si）＝7％鋁合金為同一爐配制的合金錠坯。

圖5 不同Mg含量對w（Si）＝7％鋁合金流動性的影晌

表3  Mg對w（Si）＝7%合金流動性的影響

序號	1	2	3	4	5	6
w(Mg)/%	0	0.074	0.0196	0.288	0.37	0.463
流長/mm	149.18	94.59	103.2	102.45	116.23	120.46

 

圖6  w（Si）＝7%的不同Mg含量鋁合金組織比較

　　圖6中a、b、c分別是：w（Si）=7％鋁合金中w（Mg）＝0％、w（Mg）＝0.074％ 、w（Mg）＝0.463％時的金相組織圖。合金流動性的變化與合金組織有著密切的聯系。在澆鑄過程中Al－Si－Mg三元合金液澆入鑄型后，由液相首先結晶出α－Al，當液相成分變至共晶線上時，發生三相平衡共晶轉變L→α_Al＋Si。由于A356合金的成分點沒有落在三元相圖中α_Al＋Si＋Mg₂Si共晶區內，所以，液相成分未達到共晶點前，液相已經消失，凝固完畢，凝固組織為：α_Al＋（α_Al＋Si）共晶組織^[10]。

　　由圖6可以看出，由于Mg的加入，難熔的Mg₂Si夾雜在鋁合金晶粒或晶界中，形成α_Al＋Si＋Mg₂Si的復雜共晶體結構，使合金流動性下降（見圖6a）；Mg量繼續增加，金相中逐漸出現淺灰色骨骼狀的Al₈FeMg₃Si₆，使獨立的Mg₂Si數量減少，而多余的Si在流道中心部位形成水草狀的共晶體^[11]。流動性有所提高（見圖6b）；逐漸的，Mg量的增加阻礙共晶Si的生長，相對減少合金中長條狀和水草狀共晶Si的長度，同時阻礙初生Al相的生長，使晶粒變得相對均勻（見圖6c），使流動性能有所改善，但Al₈FeMg₃Si₆相的存在本身對合金熔液的流動還是具有一定阻礙作用，所以流動性提高并不明顯。A356合金中要求w（Si）為6.5％～7.5％，試驗顯示w（Si）＝7%時，w（Mg）由0.2％增加到0.4％，流動性將增加約為14.34％。

　　試驗結果說明，在鑄造過程中，A356合金流動性與合金中Si、Mg元素的含量密切相關，其中，Si元素含量越多，鋁合金流動性越好。因此，在成分允許范圍內。適當提高Si元素含量，可以在一定程度上提高其熔體流動性；此外，適當提高Mg元素的含量也將對合金的流動性產生有利的影響。當然，其他元素也可能影響該合金的流動性，但這方面的研究報道甚少。

　　雖然鋁合金熔體的流動性有眾多的影響因素且許多影響機制尚未完全弄清，本試驗在基本保證其他因素不變而只改變合金的成分的條件下開展研究，其試驗結果與相關理論研究結果反應的影響規律基本一致。所以本試驗的結果可為生產和配制A356合金提供一定的參考。通過參考本試驗研究結果，云南冶金集團總公司所屬云南鋁業股份有限公司進一步優化合金生產工藝，A356合金產品順利實現了對日本豐田和韓國大宇公司的出口。

　　3結論

　　A356合金流動性復溝模對比試驗結果表明，Si和Mg元素的含量是合金流動性的主要影響因素，它們分別通過形成不同成分的金屬間化合物，改變熔體凝固過程中的熱場環境和原子擴散環境，改變熔體凝固過程，影響合金熔體的流動性。試驗表明，對于鋁輪轂用A356合金，在成分標準范圍內：

　　（l）當w（Mg）＝0.3％時，w（Si）6.5％增加到7.5％，鋁合金流動性增長幅度約為29.8％；

　　（2）當w（Si）＝7％時，w（Mg）＝0.2％增加到0.4％，鋁合金流動性增加幅度約為14.34％。

　　（3）AlTiC晶粒細化劑添加到Al－Mg—Si合金中尚未發現不良反應。

　　（4）還有一些問題需進一步試驗研究，例如Al－ Mg－Si合金中添加AlTiC細化劑后，對塑性加工性能、加工材的力學性能和耐蝕性能的影響等。