硅含量和成形工艺对Al-Mg-Si合金组织及力学性能影响的研究

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传统的ZL303(Al-5Mg-1Si)合金硅含量范围为0.8-1.3%,镁含量范围为4.5-5%,由于Mg含量比较高,其抗腐蚀性能比其他铝合金要好;但是硅含量偏低,其液态的流动性能、成形之后合金的强度、伸长率以及硬度也不理想,还会使合金产生缩松缩孔等铸造缺陷。液态合金的流动性在很大程度上受到硅元素的影响,适当含量的硅元素能提高合金的充型能力,减少缩松缩孔以及热裂发生的概率,从而提高铸件的质量。但是,当Si含量超过牌号规定的上限含量时,其对合金性能及成形性的影响需要进行更深入研究。本文选用ZL303基体合金为研究对象,探究了不同Si含量、不同的材料成形方法(超声振动、挤压成形)和425℃固溶温度下不同的保温时间与Al-Mg-Si合金的凝固组织以及力学性能之间的关系,为Al-Mg-Si合金的制备以及在工业的应用提供参考。首先,通过调整ZL303合金中硅的含量,将Si含量依次控制在1%、1.3%、1.6%、2%,随后探究Al-Mg-Si合金组织性能的变化。结果表明,在重力金属型成形条件下,随着硅含量从1.0%增加到2.0%,合金的抗拉强度在含硅量为1.6%时达到最大值,此后下降,伸长率亦然。并且在Si含量为1.6%(高于ZL303合金牌号的含Si量)时,合金的铸态力学性能最佳,铸态抗拉强度为141.8MPa,伸长率为1.6%;并且随着Si含量增加,合金中初生α-Al相以及强化相Mg2Si的形状和分布也会发生变化,当Si的含量为1.6%时,α-Al晶粒变得细小。当硅含量过高时,生成的Mg2Si会发生团聚现象,产生应力集中,使合金的力学性能降低。其次,在单一重力铸造的过程中,采用了辅助成形方法(超声振动以及挤压铸造),研究其对Al-Mg-Si合金的影响。结果表明,超声处理后,不同Si含量的合金组织中主要相组成没有发生变化,主要是α-Al晶粒相较于超声处理前变得圆整,β(Mg2Si)分布也比较均匀,但是当Si含量为2%时,β(Mg2Si)也会发生团聚现象。超声处理后,Si含量也是1.6%时合金力学性能最佳,抗拉强度和伸长率为168.0 MPa和2.8%,相较于重力成形分别提升了约18.5%和75%;挤压成形工艺能够明显减小合金中α-Al平均晶粒尺寸,施加适当的压力之后,抗拉强度最高达到142.0MPa;伸长率为5.6%。最后,在425℃对Al-Mg-Si合金进行不同时间的保温处理,研究了合金性能的变化。结果表明,经过固溶保温之后,Al-Mg-Si合金中第二相溶于基体中,合金的力学性能相比于铸态有一定提高。其中,当硅含量为1.6%时,在固溶温度为425℃时保温14h的合金力学性能最佳,其抗拉强度为158.7MPa,伸长率为3.6%,比原始铸态分别提高了11.9%和125%,但是当固溶保温时间过长时(超过14h),晶粒开始长大,使合金性能下降。
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