共晶成分的合金铸造性能较差（共晶Si团聚对挤压铸造Al合金影响）
共晶成分的合金铸造性能较差（共晶Si团聚对挤压铸造Al合金影响）电化学腐蚀研究使用Princeton Applied Research VersaStat 3电化学工作站。试样用5000号SiC砂纸研磨，乙醇超声清洗，风干。以铂(Pt)和Ag/AgCl(饱和KCl)分别作为对电极和参比电极。合金的暴露面积为10 mm2，以3.5%的 NaCl溶液作为腐蚀溶液，浸泡时间为48 h。以1 mV/s的扫描速率，在开路电位OCP±300mV下进行动电位极化研究。采用垂直于腐蚀表面的方向切割试样，按照和金相试样相同的方法制备试样进行微观组织分析，利用扫描电镜观察纵向截面腐蚀形貌。对试棒中间平行段用3 000号SiC砂纸打磨，使拉伸段平整光滑。使用CSS-44100型电子万能试验机进行力学性能测试，拉伸速率为1 mm/min。从拉伸试棒中间标距段内取样，在OlympusG51倒置式金相显微镜上观察显微组织，对试棒横截面不同位置观察，见图2，其中(a)为试样边部地区
Al-Si合金因其优异的铸造和充型性能，成为挤压铸造铝合金的首选体系。然而，挤压铸造Al-Si合金存在组织均匀性较差的问题，尤其是共晶Si在压力凝固条件下容易出现团聚的现象，易对合金性能产生不利影响。欧翅翔等通过模拟的方法研究了挤压铸造Al-Si合金共晶面积分数对铝合金轮毂力学性能的影响，认为共晶Si团聚尺寸超过50 μm对合金性能有明显损害；王贵等对低压铸造A356.2铝合金中Si元素的偏析进行研究，认为共晶Si聚集不仅影响产品的美观，还很容易在Si相的尖端和棱角处引起应力集中，易发生断裂，恶化合金性能；袁崇胜等 提出利用电磁搅拌使Si在Al-Si-Mg 熔体中的分布更加均匀，但是在挤压铸造生产工艺中又有很大的局限性。陈振明等研究了挤压铸造ADC14合金出现共晶Si团聚的原因，认为压力的大小决定共晶Si团聚的程度，但共晶Si团聚如何影响挤压铸造Al-Si-Mg合金的力学及腐蚀性能的综合影响目前研究报道较少。对此，本课题通过挤压铸造制备了Al-Si-Mg合金试棒，研究共晶Si团聚现象对合金力学和耐腐蚀性能的综合影响，旨在为其应用提供参考。
【研究材料】
试验原料采用99.9%（质量分数）的纯铝、Al-20Si中间合金、纯Mg锭作为原料，变质剂选用Al-10Sr合金，Sr元素加入量为0.02%，并加入Al-3B合金作为细化剂。在Spectrometer LAB直读光谱仪上对所制备的合金进行成分分析，其化学成分见表1。
【研究方法】
Al-7Si-Mg合金用电阻炉熔化，每炉熔化合金400 kg，纯铝锭和Al-20Si中间合金先投入炉内，并在760 ℃下加热至完全熔化，随后调温至740 ℃加入纯镁锭，然后加入Al-10Sr中间合金进行变质处理， 10 min后，采用石墨转子吹入高纯氩气除气精炼，转子转速为 250 r/min，气体压力为0.5 MPa，除气时间为20 min。除气后静置30 min，并调温至设定温度开始挤压铸造，其中1、2号试样的挤压机浇注温度为670 ℃，3 4号试样的挤压浇注温度为710 ℃。挤压比压为100 MPa，模具预热温度为250 ℃。挤压铸造力学性能试棒尺寸见图1。
图1挤压铸造Al-Si-Mg合金力学性能拉伸试棒示意图
采用Nabertherm热处理炉进行热处理，工艺为：升温速率为6 ℃/min，试样升温至540 ℃下保温4.5 h，水淬，随后在180 ℃时效3 h，取出空冷。
对试棒中间平行段用3 000号SiC砂纸打磨，使拉伸段平整光滑。使用CSS-44100型电子万能试验机进行力学性能测试，拉伸速率为1 mm/min。从拉伸试棒中间标距段内取样，在OlympusG51倒置式金相显微镜上观察显微组织，对试棒横截面不同位置观察，见图2，其中(a)为试样边部地区，(b)为距离中心1/2R处，(c)为试样中心区域。取金相样进行阳极覆膜，观察晶粒大小，阳极覆膜所用硫酸：磷酸：水配比为38：43：19。在带有能谱仪（EDS）的Phenom XI台式扫描电镜（SEM）上进行组织观察和分析。
电化学腐蚀研究使用Princeton Applied Research VersaStat 3电化学工作站。试样用5000号SiC砂纸研磨，乙醇超声清洗，风干。以铂(Pt)和Ag/AgCl(饱和KCl)分别作为对电极和参比电极。合金的暴露面积为10 mm2，以3.5%的 NaCl溶液作为腐蚀溶液，浸泡时间为48 h。以1 mV/s的扫描速率，在开路电位OCP±300mV下进行动电位极化研究。采用垂直于腐蚀表面的方向切割试样，按照和金相试样相同的方法制备试样进行微观组织分析，利用扫描电镜观察纵向截面腐蚀形貌。
图2 试棒金相横截面不同位置观察示意图
【研究结果】
合金铸态组织主要由浅色初生α-Al基体和深灰色的Al-Si共晶组成。由于Sr的变质作用，组织中的共晶Si呈细小的纤维状形貌。由于合金凝固过程挤压压力的影响，低熔点的共晶Si会出现团聚现象，见图3a，其共晶Si团聚尺寸可达100 μm以上。从图3b可以观察到纤维状的共晶Si发生了明显的球化，但相较于组织均匀的区域，共晶Si的聚集现象仍然存在，这说明T6热处理无法有效促进铸态下共晶Si团聚区域的分散。另外，Si相团聚区域在T6处理之后，共晶Si球化后的颗粒尺寸明显大于Si分布均匀区域的颗粒尺寸。
(a) 铸态 (b) T6
图3 4号试样的微观组织
试样边缘组织细小，共晶Si分布相对均匀；随着向试样的中心部分靠近，共晶Si逐渐出现团簇，在试样的正中心部位则聚集着较大面积的共晶Si。这是因为合金在凝固过程中，挤压压力的施加和传递倾向于将含Si元素的共晶成分溶质向最后发生凝固的区域推移，由于在充型过程中边部先凝固，心部最后凝固，所以Al-Si共晶溶质更容易在压力作用下向中心位置聚集，从而发生偏析和团聚现象。对于Al-Si-Mg合金，随着凝固进行，固液界面向前推移，溶质Si向枝晶间聚集，并通过枝晶间通道扩散到液相区，最终导致后凝固部位的Si含量高于先凝固部位，而挤压铸造由于压力的施加，会导致低熔点Si溶质在压力作用下在中心部位出现很大区域的聚集。此外，由于离模具壁面越远，冷却速率越低，因此α-Al也会越加粗大，会在靠近中心的区域出现部分较大的晶粒，见图5a，从图5b可以明显观察到试样边部存在晶粒尺寸小于50 μm的细晶区，向试样中心靠近，粗晶区开始出现。
(a)试样边部 (b)试样1/2R处 (c)试样中心
图4 4#合金试棒横截面从边部至中心再到边部的微观组织
当聚集Si相尺寸大于70 μm时，易出现明显的脆性断裂面，影响合金的韧性，因此当Si相聚集在一起直径超过70 μm时，可以认为是Si相团聚。而对于单个Si颗粒而言，当Si颗粒的尺寸大于5 μm时，在拉伸过程中Si相更易于断裂。
(a)试棒中心 (b)试棒边部
图5 4#合金的晶粒组织
(a)、(b)分别为1#和4#合金T6后试样中心金相组织图
(c)、(d)分别为1#和4# T6后试样中心的共晶Si相尺寸统计图
图6 1号和4号试样经T6处理后OM图和Si相尺寸分布图
图7 1号和4号试样在3.5%的NaCl溶液中浸泡48 h后的动电位极化曲线
(a)为图(b)、(e)的EDXA图 (c)、(d)分别为图(b)的1、2区域高倍图 (f)、(g)分别为图(e)的3、4区域高倍图
图8 4号试样在3.5% 的NaCl溶液中浸泡48h后纵截面SEM图和EDXA图
图9 挤压铸造Al-Si-Mg合金拉伸性能
(a)、(b)断口纵截面 (c)距离断口3mm处的纵截面 (d)图(c)的红色方框区域的放大图
图10 4号合金断口纵截面SEM图
(a)、(b)1#合金断口 (c)、(d)2#合金断口 (e)、(f)3#合金断口
图11 1号、2号和4号合金断口SEM图
【研究结论】
(1) 挤压温度对挤压Al-Si-Mg合金中共晶Si的团聚现象和晶粒大小能够产生一定的影响；相对较低的挤压温度有助于合金中共晶Si相的均匀分布。
(2) 挤压铸造Al-Si-Mg合金，经T6处理后，纤维状的共晶Si球化变成颗粒状，但共晶Si团聚区域无法在T6处理后较好的分散，Si颗粒尺寸较大。
(3) 挤压Al-7Si-Mg 合金经T6处理后共晶Si聚集严重的试样腐蚀电位为-820 mV，腐蚀电流密度为1.91x10-5 A/cm2，共晶Si分布均匀的样品的腐蚀电位为-790 mV，腐蚀电流密度为1.08x10-5 A/cm2，腐蚀沿Si相团聚的区域进行，共晶Si分布均匀的试样耐腐蚀性能更好。
(4) 挤压Al-7Si-Mg 合金经T6处理后，屈服强度在270 MPa左右，抗拉强度在330 MPa左右 其中挤压温度为670 ℃组织分布均匀，伸长率较高，为14.12%；挤压温度为710 ℃伸长率仅为10.12%，Si颗粒的聚集以及较大的尺寸降低了合金的塑性。
【文献引用】
周威虎，王瑞，王东涛 等.共品Si团聚对挤压铸造AI-S-Mg合金性能的影响[J].特种铸造及有色合金，2022，42(7)：864-869.
ZHOU W H，WANG R，WANG D T et al. Effects of eutectic Si agglomeration on properties of squeeze casting Al-Si-Mg Alloy[J]. Special Casting & Nonferrous Alloys，2022，42(7):864-869.
