圖1 壓鑄件實物圖與取樣位置

原標題：熱處理對壓鑄鋁合金ZL102力學及導熱性能的影響

摘要：采用微觀組織表征以及力學與導熱性能測試研究了熱處理對壓鑄鋁合金ZL102力學及導熱性能的影響。結果表明，壓鑄鋁合金ZL102室溫組織中的物相包括初生α（Al）、鋁硅共晶組織、初晶硅以及少量的金屬間化合物。固溶處理后，壓鑄鋁合金ZL102中的硅相發生了熔斷和球化；經過時效處理，α（Al）基體上出現細密的點狀第二相析出，晶界的硅相球度進一步提高。在三種熱處理狀態下，鋁合金ZL102固溶處理后的力學性能最高，但熱導率最低。綜合而言，時效處理兼顧了合金的力學與導熱性能，此時合金的抗拉強度212 MPa，伸長率3.9%，室溫熱導率142.7 W/（m·K）。

隨著5G通訊時代的到來，電子通訊設備及產品的集成度正逐步提高，單位體積的發熱量也隨之增加，此時要求相關材料與結構具有較好的導熱特性，以保證設備與產品正常工作并延長使用壽命。以5G通訊濾波器為例，其功率大、集成度高，為了提高散熱能力，該濾波器殼體結構上通常設計有較多不規則的薄壁散熱片。針對該類結構殼體的大批量成形制造，采用壓鑄工藝具有顯著的效率與成本優勢。金屬鋁的密度僅為鋼和鐵的1/3，具有巨大的輕量化潛力，近年來被廣泛應用于汽車、通訊、航空航天等領域。純鋁的室溫熱導率約為237 W/（m·K），導熱性能優異。然而，純鋁的強度較低，在實際生產中常常加入一些合金元素以提高其力學性能，而合金元素的加入又會對其導熱特性產生一定的影響。通常情況下，合金元素以固溶原子、生成中間相或析出強化相等形式來強化鋁合金，但無論是以固溶原子還是中間相的形式存在，都會給合金帶來大量空位、位錯等晶體缺陷，而析出相也會使合金產生晶格畸變，這些缺陷的存在使合金中自由電子散射的幾率增大，進行有效熱量傳導的電子數量減少，導致合金的導熱性能降低。

為了兼顧鋁合金的力學與導熱性能，研究者們進行了較為深入的研究。溫澄研究了22種合金元素對工業純鋁導電及導熱性能的影響，發現不同元素的影響程度不一樣，過渡族元素如Mn、Cr等的加入會使純Al的導電與導熱性能快速下降，而Zn、Sr和稀土類變質元素的影響較小。李林君發現不同鎂硅比對鋁合金6063導熱性能的影響不同，鎂硅比為1.5時，合金的導熱性能最好。Lumley等研究了合金成分和熱處理對Al-Si-Cu系鋁合金壓鑄件導熱性能的影響，研究表明，某些成分的合金導熱系數可通過使用熱處理增加60%以上。Kim等測試了不同熱處理狀態下Al-1Si和Al-9Si合金的熱擴散率，研究了熱擴散率與硅相固溶及析出之間的關系，得出固溶處理樣品中溶解的硅重新析出會增加合金熱擴散率。Choi等研究了模具溫度對鋁合金熱、力學性能的影響，得出模具溫度越高，合金凝固速率越慢，此時硅顆粒越大，合金熱學性能越好；而在時效處理后，不同模具溫度下合金的機械強度變得相近。

本文以鋁合金ZL102實際壓鑄件某5G通訊濾波器殼體為研究對象，采用閃光法測試合金不同溫度下的熱導率，并通過熱處理改變合金的微觀組織，探究合金微觀組織變化對力學及導熱性能的影響，以期為生產實際中提高鋁合金壓鑄件的力學與導熱性能提供參考借鑒。

1、試驗過程

1.1 試樣制備

采用某5G通訊濾波器殼體實際壓鑄產品作為試驗件，如圖1a所示，壓鑄件重約5.4 kg，外形尺寸約為539 mm×410 mm×45 mm。該壓鑄件結構形狀復雜，主體壁厚只有2 mm左右，而安裝支耳等位置處壁厚達到6 mm。試驗中微觀組織表征、力學及導熱性能測試取樣位置如圖1b所示，該位置壁厚為壓鑄件主體壁厚，具有較好的代表性且方便取樣。采用X射線熒光光譜儀（XRF）測得鋁合金ZL102的化學成分如表1所示。采用線切割制備力學性能拉伸試樣，尺寸按照國標GB/T228.1—2010確定，同時線切割Φ4 mm×1 mm規格的圓片樣，用于合金熱導率的測試。試樣熱處理分為三個對照組，一組為壓鑄態，不進行熱處理；第二組進行500 ℃×4 h固溶處理；第三組在第二組的基礎上進行200 ℃×3 h時效處理。

1.2　試驗方法

將金相試樣依次采用240 # 、600 # 、1 200 # 、1 500 # 、2 000 # 砂紙機械研磨后，使用金剛石拋光劑拋光，再使用95%H 2 O+2.5%HNO 3 +1.5%HCl+1%HF凱勒試劑腐蝕10~20 s，在Leica DM2700M 型號光學顯微鏡（OM）與JEOL 6301F型號掃描電子顯微鏡（SEM）下觀察組織形貌。使用Instron 5967型電子萬能試驗機進行室溫拉伸試驗，拉伸速度為2 mm/min，力學性能試驗數據為5根有效試樣的平均值。

根據熱傳導的物理規律，在進行熱傳導時物體內部的溫度場會隨時間發生變化，這使得直接測量熱導率有一定困難。本文在測量合金的密度、比熱容以及熱擴散系數的基礎上，采用式（1）計算出合金的熱導率
λ=αρC ρ （1）
式中：λ為被測樣品的熱導率，單位為W/（m·K）；α為被測樣品的熱擴散系數，單位為mm 2 /s；ρ為被測樣品的密度，單位為g/cm 3 ；C ρ 為被測樣品的比熱容，單位為J/（g·K）。采用LFA457激光熱導儀測量樣品的熱擴散系數，比熱容的測量使用TA-DSC2500差示掃描量熱法，采用阿基米德排水法測量樣品的密度。

2、鋁合金ZL102壓鑄組織

濾波器殼體由鋁合金ZL102壓鑄而成，由表1得出合金中硅含量為12.8%（質量分數，下同），該成分接近鋁硅二元合金共晶成分（Al-Si二元平衡相圖中共晶成分點Si含量為12.6%），合金凝固時主要發生共晶反應L→α（Al）+β（Si），形成大量的α（Al）+ Si共晶組織。然而，由于壓鑄工藝下合金冷卻速率高，凝固過程遠離平衡態，因此鋁合金ZL102室溫下壓鑄組織中存在的物相包括初生α（Al）、鋁硅共晶組織、初晶硅以及少量的金屬間化合物。如圖2顯示了采用OM得到的壓鑄件表層及心部顯微組織，其中灰白色的基體為初生α（Al），在基體之間分布有大量灰黑相間的鋁硅共晶組織，以及針狀/板條狀的初晶硅。對比圖2a與圖2b，表層組織更加細小均勻，這是由于壓鑄件在成形時表層直接接觸模具型壁，合金冷卻速率高、過冷度大，使得表層組織中晶粒更加細小均勻。此外，壓鑄件心部組織中還發現了少量大塊的灰色多邊形組織，如圖2b所示，由于合金成分中含鐵量稍高，初步判斷其為某含鐵物相。采用X射線衍射（XRD）測試合金物相組成，掃描范圍為10°~90°，掃描速度為4°/min，將測試結果導入MDI Jade 6進行分析，結果如圖3所示。由XRD檢測結果可知，合金中只存在α（Al）與Si相，并未檢測到含鐵金屬間化合物等，造成上述情況的原因可能是合金中金屬間化合物的含量較低，導致XRD并未檢測到。

表1 鋁合金ZL102化學成分 wB/%

圖2 鋁合金ZL102壓鑄顯微組織

圖3 壓鑄鋁合金ZL102的XRD圖譜

采用SEM進一步對上述多邊形物相進行分析，如圖4所示。基于能譜儀（EDS）結果（表2），推測其為一種復雜的AiSiFeMn四元金屬間化合物。結合部分文獻如袁、王等判斷該物相為α-Al 15 （Mn、Fe） 3 Si 2 ，該物相是在β-Al 5 FeSi 相基礎上加入Mn元素后進一步演變而成。在β-Al 5 FeSi 相形成時，部分Mn原子奪去了Fe原子在β相中占據的位置，相當于Mn原子部分替代Fe原子，從而形成了AlSiFeMn四元復合相。

圖4 多邊形物相的SEM圖像

表2 圖4中P點的EDS分析結果 %

3、熱處理對壓鑄組織的影響

圖5對比分析了熱處理前后的鋁合金ZL102壓鑄組織，可以看出，熱處理前后初生α（Al）變化不大，枝晶取向都沒有明顯規律，而硅相的形貌和分布則發生了明顯變化。壓鑄態組織中的硅相呈現針狀/板條狀分布，嚴重割裂了α（Al）基體；經過固溶處理后，組織中的硅相發生了熔斷和球化，長短徑比值下降，硅相球度提高；經過時效處理后，原本固溶階段溶入α（Al）基體的硅元素析出，在α-Al基體上呈現出細密的點狀形態，而晶界的硅相更加圓整，球度進一步提高。對于壓鑄組織中出現的多邊形AiSiFeMn四元金屬間化合物，在固溶與時效處理過程中，其形態并沒有發生明顯變化，推測原因在于本文固溶處理溫度并不足以使其溶入α（Al）基體中。由圖5還可以看出，壓鑄組織中分布有一定數量的氣孔，固溶處理后組織中的氣孔有增大的趨勢，而繼續時效處理氣孔并沒有進一步擴大。

圖5 壓鑄態、固溶及時效組織的對比分析

4、熱處理對力學性能及導熱性能的影響

不同熱處理工藝下的壓鑄鋁合金ZL102力學性能如圖6所示，可以看到，在強度與伸長率方面，固溶處理后的試樣優于壓鑄態及時效處理的試樣，其抗拉強度與伸長率分別為222.8 MPa與6.1%，相比壓鑄態抗拉強度提高了9.2%，伸長率得到明顯改善，提高了205%，而時效態的試樣力學性能居中。分析原因，盡管已有研究認為，由于氣孔的存在普通壓鑄件不適合進行熱處理，且鋁合金ZL102為非熱處理強化合金，但固溶處理過程中硅相的熔斷和球化顯著改善了其對α（Al）基體的割裂作用，減少了合金承載時在周圍產生的應力集中，有利于合金強度及伸長率的提高。進一步時效處理，合金力學性能相比固溶態反而發生了一定的下降，其原因在于α（Al）晶界及固溶體中析出的硅相進一步聚集長大發生粗化現象，損害了合金的力學性能，且合金時效過程中并沒有析出時效強化相。

圖6 熱處理對壓鑄鋁合金ZL102力學性能的影響

圖7顯示了試驗測得的不同溫度及熱處理工藝對壓鑄鋁合金ZL102導熱性能的影響。首先可以看到，壓鑄態、固溶及時效三種狀態下合金的熱導率均隨著溫度的升高而提高，由室溫至300 ℃呈現出先快速增長后緩慢增長的趨勢。這種變化趨勢主要與合金的導熱機理有關，對于一般金屬而言，熱導率由電子熱導率與聲子熱導率組成，相應的，熱阻也分為電子熱阻與聲子熱阻。電子熱阻是由電子被各種介質散射所引起的，由電子-聲子散射和電子-缺陷散射組成。聲子熱阻也由兩種過程決定：一是由于晶格的非線性振動引起的聲子之間的碰撞；二是聲子與固體中的缺陷發生的碰撞。在溫度較低時，晶格上的原子振動幅度非常小，聲子對于熱導率的貢獻不大，以電子熱導率為主，此時合金的熱導率主要由電子和缺陷的相互作用所決定。而合金內部缺陷的數量在低溫區基本不隨溫度的變化而變化，且電子的運動速率不管是在高溫還是低溫區基本保持不變，此時電子的平均自由程就可近似的認為是一個常數，這時候合金的熱導率主要由比熱決定，而比熱與溫度呈一次方的關系，所以三種熱處理狀態下合金的熱導率在開始時，均隨著溫度的升高而快速增長。隨著溫度的繼續升高，三種熱處理狀態下合金中原子的振動慢慢加劇，這時候聲子對于電子的散射作用開始增強，電子被散射的幾率增加，電子的平均自由程開始下降，從而導致了合金熱導率隨溫度繼續升高而緩慢增長。

圖7 溫度及熱處理工藝對壓鑄鋁合金ZL102導熱性能的影響

由圖7對比三種熱處理狀態下合金的熱導率，可以看到，不同溫度下均為壓鑄態合金的熱導率最高，也即本文中的固溶及時效處理工藝并不能提高壓鑄鋁合金ZL102的導熱性能，反而使得合金的熱導率下降。分析原因，固溶處理后的試樣中存在大量的固溶原子引起晶格畸變，導致合金內晶體缺陷增多，電子被散射的幾率增加，電子的平均自由程下降，合金的熱導率大幅降低。經過時效處理后，合金的熱導率相比固溶時有所恢復，這是因為時效處理時會析出第二相，使得合金的固溶度減小，晶格畸變程度降低。然而可以看到，時效態的合金熱導率仍然低于壓鑄態，這是由于時效處理時析出的第二相會導致合金的相界面增加，進而也會增加電子被散射的幾率，使得合金的熱導率降低。總體而言，合金元素對鋁合金ZL102導熱性能的負面影響中，固溶形式大于析出相的形式。除了合金元素的固溶及析出外，熱處理過程中壓鑄鋁合金ZL102組織中晶粒及氣孔的長大也會對合金的導熱性能造成一定的影響。相關研究表明，晶粒長大減少了合金的晶界面，可以一定程度上提高合金的熱導率，而孔洞的存在顯然會削弱合金的導熱性能。

5、結論

（1）鋁合金ZL102室溫下壓鑄組織中的物相包括初生α（Al）、鋁硅共晶組織、初晶硅以及少量的金屬間化合物，其中的多邊形物相為AlSiFeMn四元復合相。

（2）固溶處理后，鋁合金ZL102壓鑄組織中的硅相發生了熔斷和球化；經過時效處理，α（Al）基體上出現細密的點狀第二相析出，晶界的硅相球度進一步提高。

（3）在三種熱處理狀態下，鋁合金ZL102固溶處理后的力學性能最高，抗拉強度及伸長率分別為222.8 MPa與6.1%，相比壓鑄態分別提高9.2%和205%，然而此時合金的熱導率最低，室溫下的熱導率由壓鑄態時的155.8 W/（m·K）降至127.8 W/（m·K）。綜合而言，時效處理兼顧了合金的力學與導熱性能，此時合金的抗拉強度212 MPa，伸長率3.9%，室溫熱導率142.7 W/（m·K）。

作者：

林楓 吳孟武
武漢理工大學現代汽車零部件技術湖北省重點實驗室

陸文興
廣東鴻特精密技術肇慶有限公司

本文來自:《鑄造》雜志2022年第6期第71卷