原標題：Mg含量對汽車底盤副車架用AlSi7Mgx鑄造鋁合金組織及性能的影響

摘要

基于汽車底盤副車架安全性能的考慮，采用金屬型鑄造工藝及AlSi7Mgx鋁合金制備了汽車底盤副車架，并從其本體上進行試棒取樣，研究了Mg含量對其組織和性能的影響；選用合適成分的材料生產，避免性能不足或成本增加。研究結果表明，隨著Mg含量（0.28%~0.33%，質量分數，下同）的增加，試棒微觀組織共晶硅細化且析出比增大，同時Mg2Si相隨之增多，抗拉強度由282.95 MPa增加至309.88MPa，伸長率由7.79%增加至10.72%，布氏硬度由HBW77增加至HBW88.4，屈服強度從246.73 MPa減小至228.40 MPa。其中Mg含量為0.3%時，材料的綜合性能達到最佳且避免了增加成本，屈服強度236.97MPa、抗拉強度302.44 MPa、伸長率9.27%，布氏硬度HBW83.4。

汽車行業發展至今，消費者對汽車的安全性要求越來越高，車企也在為汽車的安全性能不斷進行材料革新和技術革新。其中底盤副車架在保障汽車安全性中發揮著重要作用。從材料上看，目前市場上主要分為鋁合金副車架和鋼制副車架。相比于傳統的鋼制副車架，鋁合金副車架通常由Si-Mg系鋁合金鑄造制成，具備質量輕、成形加工性能優良、耐腐蝕性能好和易于回收再利用等優點。并且在發生碰撞時，由于Al-Si-Mg系合金的特點，副車架能更有效地將承受的縱向力向左右各兩道縱梁處分散，能吸收更多的碰撞能量。因此，應用鋁合金副車架成為實現汽車輕量化的重要途徑，同時也對鋁合金副車架的抗拉強度、屈服強度及伸長率等力學性能提出了更高要求。

隨著Si-Mg系鑄造鋁合金的廣泛應用，針對其力學性能、晶相的形成機理，有關汽車用鑄造鋁合金的研究重點逐漸轉變為分析合金組分對合金整體性能的影響。陳忠偉等研究了Mg含量分別為0、0.35%和0.70%的Al-7%Si-Mg鑄造合金的微觀組織和力學性能，結果表明隨著合金中Mg含量的增加合金的抗拉強度呈增大趨勢、伸長率呈降低趨勢。喬振等研究了不同含Li含量對Al-7Si-0.5Mg合金顯微組織和性能的影響，結果表明隨著Li含量的增加，凝固組織中初晶硅數量增多，且尺寸變大，其形狀也由卵狀逐漸變為三角狀，并且合金的伸長率逐漸下降，抗拉強度逐漸升高。潘英才等研究了Si、Mg含量變化對Al-Mg-Si-Li合金組織和性能的影響，結果表明隨著Si含量增加，組織中初晶Si呈粗大化和不規則化增長，隨著Mg含量的增加，組織中α-Al相和初晶Si細化且數量減少，共晶組織增多，合金的力學性能得到提高，但過量的Mg使得合金出現魚骨狀的Mg2Si組織，降低了合金的力學性能。牛艷萍等研究了Si含量對Al-Si-Mg合金鑄造性能的影響，結果表明隨著Si含量的提高，Al-Si-Mg合金的流動性、抗拉強度均得到提升，但伸長率和熱導率有所下降。李佳雙等研究了Si、Mg對Al-Mg-Si合金顯微組織與顯微硬度的影響，結果表明隨著Si含量的增加，組織中α-Al枝晶變得細小，合金顯微硬度也隨之提高，隨著Mg含量的增加，α-Al初生晶粒逐漸增大，合金顯微硬度先增大后減小。胡歐林等研究了Mg、Cu含量變化對Al-Si-Mg系合金T6熱處理后組織與性能的影響，結果表明隨著Mg含量的增加，合金的二次枝晶臂間距減小，Mg2Si強化相增多，隨著Cu含量的增加，共晶Si由片狀逐漸轉變成細小彌散分布的球狀。目前，有關合金組分對合金組織和性能的影響研究較多，但這些理論上的研究很少涉及到實際工程中的應用，關于元素含量變化對汽車零部件熱處理后性能的影響研究較少。

本文以某品牌AlSi7Mgx合金副車架為研究對象，重點分析在T6熱處理工藝的條件下，Mg含量對鋁合金副車架微觀組織的影響及力學性能的變化趨勢，以期望為優化鋁合金整體式副車架的力學性能以及企業改善鑄件力學性能提供參考。

1 試驗過程與方法

本試驗采用A356鋁合金（重慶順博）作為副車架的基體材料，其化學成分如表1所示。使用集中熔煉爐（一種塔式設備，負責將固體鋁錠融化成鋁液，方便后續將鋁液轉運至坩堝爐內進行后續處理）對A356鋁合金錠進行集中熔煉，每6 h進行一次打渣、除氣工藝。確保金屬液無氧化渣后轉運至坩堝爐內，待熔體溫度達到720 ℃左右，先后將精煉細化劑AlTi5B合金、變質劑Al-Sr中間合金壓入坩堝中，并使用石墨棒攪拌均勻，期間使用Al錠以及純度為99.99%的Mg錠等進行元素含量的調整，保證鋁液中合金元素的含量在標準范圍內。通過調整Mg錠的加入量分別制成Mg含量為0.28%、0.30%和0.33%的待澆注金屬液，之后在坩堝爐內進行二次打渣，進一步確保鋁液質量。二次打渣完成后，通入氮氣進行除氣，減少鋁液內的含氫量，減少鑄件內部針孔。金屬液制備期間通過直讀光譜儀檢測，每個鋁液樣本共取樣成分點3個，每個點位嚴格控制Mg含量處于0.28%~0.33%，并確保保溫時間不超過8 h。隨后將熔體轉運至低壓鑄造機，調整熔體溫度為715 ℃，以低壓鑄造的方式生產出不同Mg含量的AlSi7Mgx鋁合金前副車架。

表1 A356鋁合金化學成分 wB/%

澆注完成后，對所得不同Mg含量的鑄件進行切鋸清刺等處理去除加工余量，圖1所示為AlSi7Mgx鋁合金前副車架的毛坯件。將Mg含量分別為0.28%、0.30%和0.33%的毛坯件各取5件進行表2所示的T6熱處理。對熱處理后的鑄件按照客戶要求的位置取樣，并通過線切割制備金相試樣和標準拉伸試棒，圖2所示為取樣位置及拉伸試棒尺寸示意圖。通過計算3組不同Mg含量鑄件的力學性能試驗平均值，作為衡量所得鑄件力學性能的依據。

圖1 某款前副車架的毛坯圖

表2 AlSi7Mgx鋁合金熱處理工藝

圖2 取樣位置及拉伸試棒尺寸

2 結果與分析

2.1 金相組織

使用線切割獲得試樣尺寸約為6 mm×6 mm×10 mm，選擇較為平整的面進行打磨，直至表面沒有明顯的切割斷口后進行拋光；隨后使用超聲波清洗儀清洗試樣；最后使用體積分數為5%的HF酸腐蝕拋光面約30 s后用酒精沖洗并吹干，用鑷子將其放在電子顯微鏡下觀察金相組織。圖3所示為不同Mg含量的AlSi7Mgx前副車架熱處理后試樣的金相組織圖像。從圖中可以看出，隨著Mg含量的增加，金相組織中的晶粒尺寸隨之減小，晶粒尺寸越小，合金的抗拉強度和伸長率越高，這是由于Mg含量的增加會引起成分偏析和形核增加，進而阻礙晶粒長大。

圖3 不同Mg含量副車架試樣的金相組織

Mg含量的增加也會改變共晶硅的形態，使其由短棒狀或大顆粒轉變或細小顆粒狀，這種轉變對基體α-Al的割裂作用降低，降低了產生應力集中的可能性，提高了合金的斷裂韌性和抗拉性能。圖4所示為Mg含量為0.33%的鑄件組織XRD圖譜。結合圖3（c），可以觀察到，當Mg含量為0.33%時，金相組織中有少量呈現深色顆粒狀的Mg2Si相，這說明溶解在鋁基體中的Mg會與Si反應，形成Mg2Si相，隨著Mg含量的增加Mg2Si相的析出量增多，能有效提高合金的抗拉強度和硬度。

圖4 Mg含量為0.33%的XRD圖譜

為了進一步量化Mg含量對AlSi7Mgx前副車架熱處理后組織的影響，繪制晶粒尺寸隨Mg含量變化的分布直方圖如圖5所示。由圖5可知，加壓壓力在450 MPa，加壓時間5 s的壓力環境中鋁液進行成型凝固，隨著Mg含量的增加，組織中晶粒尺寸呈顯著減小的趨勢，當Mg含量為0.28%時，晶粒尺寸集中分布在3.5 μm左右，且晶粒尺寸最大超過了4.5 μm；當Mg含量為0.30%時，晶粒尺寸集中分布在2.9 μm左右，99%的晶粒尺寸都在4 μm以下；當Mg含量為0.33%時，組織中晶粒的尺寸最大僅為3.1 μm。這表明隨著Mg含量的增加，所得鑄件的力學性能得到了顯著增強。

圖5 不同Mg含量副車架試樣的晶粒尺寸分布直方圖

2.2 力學性能

采用WDW-100萬能拉伸試驗機、里氏數顯硬度計進行鑄件屈服強度、抗拉強度、伸長率和硬度等主要力學性能參數測試，試驗中設定拉伸速率為0.1 mm/min，試驗負荷設定為980 N加載5 s。表4為不同Mg含量的副車架用AlSi7Mgx鑄造鋁合金經過T6熱處理后不同試驗組試樣的力學性能參數。從表4測試結果可以看出，Mg含量在0.28%~0.33%時，所有力學性能均達到客戶要求的最低值。另外，通過對比表4中各項力學性能的平均值，可以發現，當Mg含量為0.28%時，試樣的抗拉強度、伸長率和硬度值均最小；當Mg含量為0.30%時，試樣的屈服強度最大，為246.73 MPa。而當Mg含量為0.33%時，試樣的抗拉強度、伸長率和硬度值均最大，但其屈服強度最小。

表4 某款前副車架試樣力學性能

根據表4中的力學性能的平均值，可以繪制出不同Mg含量材料的各項性能對比圖和趨勢圖。其中，圖6為不同Mg含量材料的硬度值，圖7為不同Mg含量抗拉試棒的伸長率，圖8為不同Mg含量抗拉試棒的屈服強度和抗拉強度。從圖6中可以看出，隨著Mg含量（0.28%~0.3%）的增加，某款前副車架本體材料的硬度逐漸增大，到Mg含量為0.33%時，硬度值達到最大HB88.4。這是由于Mg元素增加，熱處理后析出形成的Mg2Si相增多，分布在鋁基體中，這個過程稱為沉淀硬化，能夠顯著增強合金的硬度。

圖6 不同Mg含量材料的硬度值

從圖7中可以看出，隨著Mg含量（0.28%~0.33%）的增加，某款前副車架本體材料的伸長率逐漸增大，這表明隨著Mg含量的增加，材料的韌性逐漸增強。其原因在于Mg含量的增加能夠細化的共晶硅，使硅相能更均勻地分布于鋁基體中，應力分布更加均勻，從而增強了合金材料的韌性。

圖7 不同Mg含量抗拉試棒的伸長率

從圖8中某款前副車架本體材料屈服強度和抗拉強度隨Mg含量（0.28%~0.33%）變化的趨勢可以看出，隨著Mg含量的增加，材料的抗拉強度隨之增大，但屈服強度先增加后減小。抗拉強度增大，是由于當Mg含量增加時，Mg2Si相增多，這些細小的、分布均勻的Mg2Si顆粒能有效阻礙位錯運動，從而提高合金的抗拉強度。此外，適當的Mg含量還能優化合金的固溶強化和沉淀強化效果。屈服強度先增大后減小，是由于隨著Mg含量的增加并形成更多的強化相Mg2Si，強化相能夠影響材料開始塑性變形的應力水平，屈服強度則隨之增加。然而，當 Mg含量過高時，可能導致第二相聚集形成較大的粒子，這可能對材料的塑性變形機制產生不利影響，進而可能使導致屈服強度的降低。

圖8 不同Mg含量抗拉試棒的屈服強度和抗拉強度

從以上圖表的分析結果可知，為保證某款前副車架本體材料的各項力學性能滿足客戶要求且避免投料增 加導致成本上升，則應選擇Mg含量為0.30%的AlSi7Mg0.3鑄造鋁合金，此時材料的屈服強度236.97MPa、抗拉強度302.44 MPa、伸長率9.27%、布氏硬度HB83.4。

3 結論

（1）隨著Mg含量的增加，材料金相組織中晶粒得到細化，共晶硅由短棒狀逐漸轉變為細小顆粒狀，同時Mg2Si相的析出量增多。

（2）T6熱處理后的AlSi7Mgx鑄造鋁合金的抗拉強度、伸長率和硬度值均隨著Mg含量（0.28%~0.33%）的增加而增大，而屈服強度則先增大后減小。

（3）實際生產中可以根據產品力學性能的實際情況，通過調控合金中Mg的含量來改變力學性能，從而使鑄件力學性能符合要求的同時不出現性能過剩，某款前副車架本體材料選擇Mg含量為0.30%的AlSi7Mg0.3鑄造鋁合金最佳。

作者：
李連馳 馬小軍 劉海濱 蘇為強
湖北航特裝備制造股份有限公司

本文來自：鑄造雜志