周坤如 周语祺
摘 要：A356为美标的铝合金牌号，该合金的具备较好的耐蚀性，并且体现为优良的抗疲劳性、加工性以及热处理性能。因此在目前的现状下，很多制造企业都会倾向于选择此类的合金材料用于制造汽车轮毂或者汽车缸体。从微观结构的角度来讲，此类合金主要包含了金属化合物，并且含有共晶硅离子以及硅的沉淀物。从合金的内部结构角度讲，铁元素对于整体的合金结构以及合金性能占据最大的影响比例。因此，本文重点研究Fe元素对A356铸造铝合金力学性能的影响，该试验过程中，根据其合金成分组成，在基本确保其他元素不变的前提下，重点试制3种不同含量Fe元素的试样，通过铸造、热处理、组织观察、拉力试验过程分析Fe对铝合金组织和性能的影响。通过试验分析出结果为改变 A356 铝合金中铁含量将改变Fe的组织形态，从而改变组织结构，最终提升铝合金的拉伸力学性能。
关键词：A356铝合金;铸造;热处理;微观组织;力学性能（Rp0.2，Rm，A5）
1课题研究背景和意義
进入新时期后，汽车设计行业总体上已经达到较高的产品设计水准，而相应的汽车设计技术也体现为多样化的基本趋势。对于现阶段的汽车工业来讲，总体趋势主要体现在节能型与轻型的汽车设计。在此前提下，很多企业制造商针对设计新型的汽车零部件更多运用了铝合金作为其中的主要材质。并且，目前对于汽车轮毂、热交换器以及其他的汽车部件都已经能够运用A356型号的铝合金材质。除此以外，设计技术人员针对某些型号的汽车车身、底盘与发动机都可以选择此类的铝合金材质用于进行优化设计。因此在现阶段的汽车工业领域，A356的铝合金已经能够获得较广的技术运用。
由于铝合金的密度相对于钢材料密度小很多，同尺寸下铝合金材质比钢材质轮毂要轻得60%以上。与钢制的汽车轮毂进行对比，可见铝合金材质的轮毂具有更小的转动惯性，进而对于整车的加速能力与起动能力都能有效进行提升。并且，汽车是否体现为优良的制动性，其在根本上也决定于铝合金材质。从铝硅合金的角度来讲，析出的铁元素具有针状的形态，此种针状的析出物将会明显减损原有的合金力学性能。并且，针状的铁元素具有较强的材料脆性，因而很可能损害固有的金属基体。此外，铝合金由于受到针状的铁析出物影响，那么将会明显降低原有的合金力学性能。
2 实验过程和方法
2.1 材料
工业纯铝、纯硅块、镁锭、Al-10Ti中间合金、Al-10Fe中间合金、Al-5Ti-B细化剂、精炼剂、高纯氩气等。
2.2 实验过程
具体包含试样的熔炼铸造过程、热处理过程、组织观察、力学性能以及断口组织观察等。
2.3 实验方法
1）合金成分设计：实验铝合金成分设计依据为 A356铸造铝合金锭化学成分，执行标准：ASTM;主要成分 如下，硅 Si：6.5～7.5、镁 Mg：0.25～0.45、钛 Ti：0.08-0.20、铝 Al：余量;杂质包含，铁Fe： 0.000～ 0.200、铜 Cu：≤0.1、锰 Mn：≤0.10、 Zn：≤0.1、锆 Zr：≤0.20、锡 Sn：≤0.01、铅 Pb：≤0.03以此为依据，设置3组成分，其他成分不变，将Fe的含量分别设置为2000ppm，1000ppm，200ppm，具体成分分析如表1。
2）实验过程包含试样熔炼铸造、热处理、组织观察、性能测试等过程;
3）熔炼工艺：熔炼过程包含熔炼、除气和变质处理等精炼工艺。
①熔炼过程：采用坩埚电阻炉，将铝锭在坩埚内熔化，熔化温度小于725℃，然后按照成分配比计算相应重量的硅块加入到已熔化的铝合金液中，加入硅块之后，用铝锭将硅块压住铝合金液内部，禁止硅块裸露在空气中。待全部熔化后，搅拌均匀，将温度调整到680—700℃，将镁块压入到铝合金液中的，待镁全部熔化后，最后在精炼前加入铝钛硼丝。
②精炼： 去除铝合金中的气体，非金属夹杂物和其它有害元素。除气使用旋转喷吹氩气精炼装置。
③变质处理： 通过细化合金组织，改变共晶硅形态，最终提高铸件的力学性能。
4）热处理工艺：采用铝合金铸件T6热处理工艺程序，主要工序包含：加热-保温-淬火-时效。
5）组织观察：对A356铝合金金锭取样，并制成金相样品，备用观察。利用金相显微镜对A356铝合金金锭样品组织形态进行研究，然后通过MIAPS工程软件对观察试样内部的富铁相的宽度以及长度进行测量分析。
6）性能测试：运用电子万能材料试验机对所制得的拉伸试样进行拉伸试验，抗拉试样按照如图2所示的样式国家标准制造试样。各个含铁量铝合金试样取3个拉伸试样进行操作，对3次结果求得平均值作为其最终结果。
3 结果与讨论
3.1 热处理前后组织的变化
在全面经过热处理的前提下，待测试件将会具有相对较好的综合力学性能。探究其中的根源，主要在于析出的Mg2Si具有非平衡相的特征。共晶硅相的大小、形貌与分布状态在固溶处理过程中都发生了较大的改变。在此过程中，经过肉眼观察即可看到细小并且呈现球状的共晶硅。具体对于硅颗粒而言，分布均匀的硅颗粒将会直接影响到晶粒物质的尺寸、外貌形态、力学特性以及空间分布等各项基本属性。并且经过较长的保温时间后，观察可见明显增大的颗粒间隔距离，并且体现为显著减少的硅相颗粒比例。由此可见，在持续长时间进行保温处理的基础上，溶液基体内部将会融入更多的硅元素与镁元素。与此同时，某些未能被溶解的硅颗粒也会继续表现为沉淀现象。
图3.1-1和图3.1-2所示的组织均为固溶淬火+时效处理的组织。在某些情况下，析出的基体颗粒呈现球状的均匀分布形态，并且不再表现为卵状的最初形状。
3.2 铁含量对微观组织的影响
图3.2-1显示了α-Al相（初生）部分整体上呈现白色。然而经过凝固处理以及冷却处理后，此类物质将会转变成树枝状或者晶粒状的特殊形态。因此可以判断出，此类的铝合金物质仍然不具备最佳的韧性、强度以及可塑性。为了达到全面优化物质性能的效果，那么关键在于增强铝合金物质固有的可塑性特征，并且还要运用适当的技术措施来实现针对铝合金整体强度的提升。
图3.2-2中显示了共晶的硅相物质主要呈现深灰色，但是不规则的铁相铝合金同样也呈现灰色的颜色。富含铁相物质的铝合金具有较差的切削性能，因而很难达到提升力学性能的效果。在此前提下，技术人员就需要运用适当措施来进行富含铁相物质的内部结构改进。唯有如此，铝合金材料才会达到较好的力学特性，同时也能达到有效改进力学特性的效果。
经过分析可见，金属化合物以及铁相物质之间可以产生特定的化学反应，进而生成了稳定性较强的晶粒物质。对于金属状态的铝合金液体来讲，A19FeMg3Si物质占据较低的含量比例。然而与之相比，A15FeSi物质本身也包含了较高比例的金属化合物，此外还包含较多的晶粒物质。对于呈现灰色的共晶硅而言，合金組织的内部包含较多的此类共晶元素。但是实际上，此类共晶物质并不具有规则的物质形态。经过观察可见，共晶物质的边界仍然是十分清晰的，而块状的不规则形态主要体现在硅元素的分布上。
例如对于呈现树枝状的α-Al相（初生）物质而言，此类物质呈现混乱以及不规则的形态。晶体如果处于初生的状态，那么将会呈现特定的生长方向。并且对于合金组织内部散布的针状或者长条状的粗大硅相物质来讲，如果没有做到有效控制硅相物质蔓延，那么很可能呈现组织断裂的现象。并且在多数情况下，晶粒物质还可能会聚集较多的受力点，并且最终造成力学性能的明显降低。
3.3 力学性能结果分析
通过对3种不同含量成分、各3组试样进行性能测试，具体数据如表2。
由表2可知，随着铁含量下降，A356 铝合金的抗拉力强度和屈服强度有所上升。
3.4 断口形貌分析
拉伸试验后，对于原有的试验物质通过运用化学反应的方式，从而将其转变为金相试样。并且，对于纵向的试样断裂剖面进行了详细观察，如下图。针对断口形态在进行详细观察后，可以察觉到边缘的断口部位分布着较多的硅粒子。此外，扩展裂纹的大致方向为共晶硅离子的裂纹延伸方向。在离断口面稍近位置处可以观察到铸造缩孔，同时在断口边缘可观察到断裂的共晶硅粒子。
3.5 力学性能差异的原因分析
随着铁含量上升，A356铝合金的抗拉力强度有所下降。因此如果要达到明显提升合金固有力学性能的效果，那么关键在于适当降低铁元素在整个铝合金中占据的比例。例如在保持0.6%的铁元素比例时，铝合金物质就会维持稳定性较强的断面收缩性以及延伸率。这主要是由于，析出后的铁元素多数呈现针状的特殊形态，因此在客观上能够达到割裂铝合金基体的效果。
由于受到拉伸力导致的明显影响，那么铝合金就会突然表现为碎裂的现象。在某些情况下，铁元素如果呈现总量下降的现象，那么α-Fe 相的物质将会代替原有的 β-Fe 相物质，此种物质改变同样也会影响到铝合金的基本性能。尤其是对于拉伸性能较差的铝合金物质而言，如果运用以上的物质转化方式，则可以达到拉伸性能显著增强的效果。
4 研究总结与创新点
1.一般对铝合金杂质的研究，特别是对Fe的杂质影响的研究分析，一般设计合金成分为2%向0.6%比例区间分析，而本文针对A356合金成分设计时从0.2%到0.02%之间进行分析，具有较大的突破性;
2.铁元素在整个铝合金中如果呈现变化的比例，那么与之有关的各种合金物质也会相应改变固有的尺寸与数量，其中典型为β-Fe以及α-Fe相的合金物质。例如在减少铁含量的前提下，针状的合金物质也会呈现明显降低的比例，但是却会明显增大原有的α-Fe相比例。
3.A356铝合金中Fe含量的改变引起合金内部富铁相改变。在减少铁元素比例的情况下，合金物质将会增大固有的力学特性。由此可见，铁元素比例以及合金性能之间具有内在的联系。
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