钛对AlSi7Mg0.3合金力学性能的影响

王汝耀 鲁薇华

摘 要 研究了钛对AlSi7Mg0.3合金金相组织和力学性能的影响。钛量超过0.12%,铝合金晶粒不再细化，而冲击韧度和伸长率急剧下降，抗拉强度缓慢上升，硬度变化甚微。力学性能如此变化可能是出现针状钛相造成的。AlSi7Mg0.3合金最佳钛量应在0.08%～0.10%范围内。此时，铁含量接近0.18%，合金仍保持较高的冲击韧度和塑性。

关键词：AlSi7Mg0.3合金 最佳钛量 力学性能 细化作用

The Effect of Titanium on the Mechanical Properties of AlSi7Mg0.3

Alloy

Wang Ruyao Lu Weihua (China Textile University)

ABSTRACT:The effect of titanium level on the microstructure and mechanical properties of AlSi7Mg0.3 alloy has been studied. As the titanium level is more than 0.12%, the elongation and impact toughness of the alloy drop rapidly, and the ultimate tensile strength rises slowly with no change in hardness and grain size. The change in mechanical properties are related to the appearance of titanium phase in needle-like form.The optimum level of titanium in AlSi7Mg0.3 alloy ranges over 0.08%～0.10%, in which, as the iron level is up to 0.18%, the impact strenght and elongation are satisfactory. Key Words:AlSi7Mg0.3 Alloy, Optimum Level of Titanium, Mechanical Property, Refining

高强、高韧度AlSi7Mg0.3合金广泛用来制造航天、航空、汽车和交通运输等行业的复杂承载零件。

50年代以来，为进一步改善合金力学性能，普遍添加铝钛或铝钛硼中间合金细化铝晶粒［1，2］。例如，美国ASTM标准中规定钛含量范围在0.04%～0.20%。我国也规定钛量应在0.08%～0.20%。但生产提供的经验表明钛量在0.02%～0.15%范围内皆有令人满意的晶粒细化效果［3，4］。截至目前，对钛的细化作用的研究多集中在Al-Cu单相合金，涉及Al-Si合金的不多［3］。因之，本文目的在于明确钛对AlSi7Mg0.3合金的细化作用和对力学性能的影响，并探讨最佳钛量范围。

1 试验方法

在汽车轮毂厂生产条件下用500 kg电阻炉熔配AlSi7Mg0.3合金。在690～710 ℃用氮气去气，并用AlSr10合金进行变质处理，静置10 min后浇注轮毂及Y型试块(20 mm×80 mm×220 mm)。金属模温控制在250 ℃左右。钛量和铁量根据试

验方案用Al-Ti合金和不同级别的铝锭进行调整。表1列举试验合金的成分范围。

表1 试验用AlSi7Mg0.3合金成分(质量分数/%)

Table 1 Chemical analysis of AlSi7Mg0.3 alloy tested(wB/%) 元素 Si Mg 0.28～0.33 Fe 0.08～0.27 Ti 0.07～0.30 Sr 0.06～0.08 6.80～7.50 试样随轮毂一起用连续式热处理炉进行固溶处理(535 ℃×6 h)和时效处理

(135 ℃×8 h)。从Y型试块取拉伸试棒和无缺口冲击试块(10 mm×10 mm×55 mm)。从试样断口取样，观察合金金相组织。

2 结果与分析

2.1 力学性能

图1给出钛量对不同铁量的AlSi7Mg0.3合金抗拉强度、伸长率和冲击韧度的影响。一旦钛量超过0.12%,合金伸长率和冲击韧度开始下降，增至0.20%时，伸长率和冲击韧度分别下降20%和30%，抗拉强度微弱提升5%左右，而硬度没有明显变化。可见，钛量不宜超过0.12%,即接近ASTM和我国铝合金规范的下限。

图1 钛量与AlSi7Mg0.3合金力学性能的关系

Fig.1 Ti-level vs mechanical of properties AlSi7Mg0.3 alloy

铁量对AlSi7Mg0.3合金冲击韧度和塑性的影响也十分显著。铁量由0.08%增加到0.21%,冲击韧度和伸长率分别下降了25%和30%，强度相应提高10%，变化幅度大体与钛的影响相当。 2.2 金相组织

图2对比不同钛量AlSi7Mg0.3合金金相组织。钛量由0.08%提高到0.21%,未观察到铝枝晶形貌和尺寸出现明显变化。粒状硅相尺寸和分布也未受到影响。钛量超过0.12%以后，经常在α-Al枝晶内部发现呈淡红色和或块状钛相，如图中箭头1和2所示。钛的这种作用与文献［3，5］报道相同，钛量增至0.10%以上，铝晶粒尺寸不再减小。

a. 0.08%Ti～0.18%Fe b. 0.21%Ti～0.18%Fe

图2 不同钛量的AlSi7Mg0.3合金金相组织(热处理态) ×100箭头1—针状钛相；箭头2—

块状钛相

Fig.2 Microstructure of AlSi7Mg0.3 alloy containing different level of titanium

3 讨 论

通常认为钛的细化晶粒作用是铝与TiAl3之间包晶反应引起的。这些早期研究［1，2］

仅限于Al-Si二元系，因之，引出如下看法：只有钛超过0.15%,才可以进行包晶反应，TiAl3才可充当铝晶核细化晶粒。这一临界值与生产实践(0.02%～0.15%)不符合，也不为本工作所证实。这种差别与合金成分有关。1987年Mondolfo更详细的研究［6］证实Fe,Mn,Zn,Mg,Cu等依次降低Al-Ti包晶反应温度和钛在铝液的溶解度。Mg和Cu最强，可使钛的溶解度降至0.08%以下。如有硼存在，钛溶解度降至0.03%。故钛的临界值下降到0.10%以下。今所用AlSi7Mg0.3合金含有Si和Mg,其对钛溶解度的联合作用又如何，有待研究。从生产统计结果看，钛量小于0.08%,即可显示晶粒细化效果。至于为什么钛量大于0.12%,细化作用不再增加，可做如下探讨。 作者曾用JCXA-733波谱仪测得AlSi12CuMg合金基体含钛量大约在0.12%～0.16%范围之内，平均为0.14%，与文献［6］公布的数值相近。倘若钛量超过此值，钛将以针状或块状AlSiTi金属间化合物形式出现，如图2b中箭头所示。

钛量在0.08%～0.10%之间，由于晶粒得到充分细化，合金冲击度性和塑性随之提高［4～6］。相反，钛量超过0.12%，晶粒细化作用逐步停止，并且析出了针状或块状金属间化合物，这就降低了合金的冲击韧度和塑性，并使强度的增加逐渐减弱。因之，钛含量以0.08%～0.10%为最佳值，可保证合金具有最大的韧性和塑性。

许多工厂为保证合金具有足够的韧性和塑性往往着重降低铁含量，忽视了钛作用的两重性，经常采用低铁高钛的办法，这就给生产操作和管理带来许多不便，还提高了生产成本。相反，降低钛量至0.08%～0.10%,即使铁量接近0.18%,合金冲击韧度也可达到40 J/cm2,伸长率保持在12%，强度也很高，还降低了成本，方便了现场工艺和管理。

4 结 论

AlSi7Mg0.3合金含钛量最佳范围为0.08%～0.10%。过高将使合金韧性和塑性急剧下降。

作者单位：中国纺织大学 参考文献

[1] Mondolfo L F. Aluminium Alloy: Structure and Properties. London. Butterworths. pp385.1976.

[2] Mondolfo L F. Grain Refinement in the Casting of Non-Ferrous Alloys. Grain Refinement in Castings and Welds. Metallurgical Society of AIME 1983,3～50

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[6] Mondolfo L F. Grain Refinement of Aluminium Alloy by Titanium and Boron Preprint of Solidification Processing, Sheffiedl U K. 1987 104～106