原标题：华南理工大学：Al-9Si-2Cu-xFe合金助力汽车轻量化发展

在节能减排大背景下，汽车、通信、电子等行业的零部件轻量化越来越受到关注，其中散热器（如锂电池电机壳体、基站散热器等）的轻量化十分关键。汽车质量每减轻10%可降低6%~8%燃油消耗，而电子元器件平均每升高2℃，寿命就会缩短10%。在轻量化的前提下，对铸件导热性能进行优化并分析其导热性能的影响因素很有必要。在“双碳目标”下，再生铝的高效利用越来越受到重视，再生铝中的杂质Fe对铝合金导热性能负面影响很大。因此，对含Fe杂质铝合金的导热性能进行优化，并分析其导热性能的影响因素受到重视。

A354合金是Al-Si-Cu系合金，其含有（质量分数）8.0%~10.0%的Si，0.20%的Fe，1.3%~2.1%的Cu，0.25%~0.45%的Mg，属于高导热铸造铝合金，具有铸造性能好、密度小、耐腐蚀性强的特点，在汽车、电子、通信等行业已得到了成功应用。目前国内外针对A354铝合金的力学性能、导热性能、铸造工艺和热处理等方面都有研究。在铸造工艺方面，大多采用特种铸造方法制备A354合金。研究者在压铸下制备的相似成分合金屈服强度为310 MPa，抗拉强度为282 MPa，伸长率为2%。同时挤压铸造能够减少晶间缺陷从而提高合金热导率，提高合金冷却速度、增大过冷度从而减小富Fe相的负面影响。针对合金中富Fe相的影响国内外做了众多研究，发现汉字状富Fe相一般不会引起基体的严重割裂，不易导致引力集中。而针状β-Al5FeSi型富Fe相则相反，同时降低合金力学与导电、导热性能。影响铸造铝合金导热性能的主要因素之一是铝基体中的其他元素的固溶量，通过热处理，可在同一成分范围内调整各合金元素在铝基体中的固溶量，从而提升热导率。然而，这道工序对于铸件生产企业来说，会极大地增加成本。一方面热处理过程需投入大量设备、人工、水电等直接成本，整个铸件的生产周期也会延长5倍以上；另一方面热处理过程中铸件容易发生变形，还需额外增加矫形工序。为了节约时间、防止铸件变形，热处理方面，一部分研究者选择时效处理而非固溶处理来处理铝合金。通过时效处理使Al-10Si-0.7Fe-0.3Mg-0.005Sr合金热导率达到170 W/（m·K）。A354合金在制备过程中需严格控制杂质元素Fe的含量，然而Fe在合金生产过程中往往难以避免，并且在废铝回收的过程中还会出现累积。在固溶处理过程中，富Fe相能溶解、破碎、球化，虽然能提高合金力学性能，但由于Fe原子的固溶使合金导电、导热性大大下降。为了实现高导热A354铝合金回收废料的高效利用，同时进一步优化其力学性能和导热性能，还需从成分优化、工艺改进等方面对这类合金进行深入研究，以拓展这类合金的应用范围。

本研究拟在降低Al-Si-Cu系高导热铝合金对杂质Fe含量要求（即低于0.1%）的前提下，基于75 MPa挤压压力和铸造水冷淬火条件制备不同Fe含量Al-9Si-2Cu合金，研究Fe含量及时效工艺对合金微观组织的影响，分析其力学性能和导热、导电性能的变化规律。

图文结果

合金设计化学成分见表1。将Al-20Si、Al-50Cu、Al-5Fe中间合金及99.7%（质量分数，下同）的工业纯铝置入电阻炉坩埚中，升温加热至720 ℃保温2 h后，降温至600 ℃加入Al-10Sr中间合金进行变质处理，保温20 min后升温至700 ℃，开炉扒渣后保温备用。在2 000 kN立式四柱液压机上进行75 MPa挤压铸造，模具预热温度为250 ℃，铸锭尺寸为ϕ70 mm×90 mm。挤压15 s后将铸锭放于室温冷却水中，冷却至室温之后分别进行175 ℃×2 h与250 ℃×2 h时效处理。使用Thermo-Calc软件计算不同Fe含量Al-9Si-2Cu合金的热力学相图。利用Leica DMI 5000M金相显微镜观察各状态和工艺下试样的金相组织。选取10张放大倍数为500倍的金相照片，使用Image J图像分析软件统计合金中富Fe相尺寸。利用 Quanta 200 扫描电镜观察各试样的显微组织。采用透射电镜（JEOL 3010）对不同压力和成分合金的显微组织进行分析。利用 NETZSCH STA449 C热分析仪对不同条件下的试样进行差热扫描分析，加热速率为10 ℃/min，加热范围为50~400 ℃，在铸件外圆周上取若干根ϕ10 mm 的圆棒，标准室温拉伸试样按照 GB/T 228.1-2021加工，拉伸试验在岛津万用材料试验机上进行，拉伸速率为0.3 mm/min。将试样加工为ϕ10 mm×20 mm 的圆棒后，采用OHR-EC10型直接接触式电导率测试仪测量试样的电导率。

表1 合金的化学成分(%)

图1 不同时效温度和Fe含量下Al-9Si-2Cu合金的微观组织

图2 不同时效温度下Al-9Si-2Cu合金中β-Al5FeSi相尺寸频数直方图

经金相统计与能谱仪检测可知175 ℃×2 h与250 ℃×2 h时效处理后富Fe相尺寸变化不明显。从图2可知富Fe相尺寸随Fe含量上升而增加，含1.2%的Fe时Al-9Si-2Cu合金经不同温度时效处理后富Fe相平均尺寸在75~78 μm内。

同时发现θ-Al2Cu总是存在于Fe相附近，见图3和图4。β-Al5FeSi与θ-Al2Cu两相的晶格错配度为2%，容易形成共格界面，有研究者认为β-Al5FeSi是θ-Al2Cu的形核基体。

Al-9Si-2Cu-0.5Fe合金时效过程微观组织变化见图5和图6。合金在时效过程中的转变为SSSS→G.P.区→θ″→θ′。对TEM图像中出现的针状析出物进行衍射花样标定，确定该析出相为θ′-Al2Cu且与Al基体呈半共格关系。

图3 铸态下Al-9Si-2Cu-1.2Fe合金富Cu、Fe相形貌与元素分布图

图4 不同时效温度下Al-9Si-2Cu-1.2Fe合金富Cu、Fe相形貌

图5 175 ℃×2 h时效后Al-9Si-2Cu-0.5Fe合金TEM形貌与衍射花样标定

图6 250 ℃×2 h时效后Al-9Si-2Cu-0.5Fe合金TEM形貌与衍射花样标定图

不同时效温度和Fe含量下Al-9Si-2Cu合金力学性能见图7。Fe含量对合金力学性能存在一定影响。合金伸长率随Fe含量升高而下降，但Fe含量为0.5%时合金抗拉强度最佳，当Fe的含量达到1.2%时，合金的抗拉强度与伸长率都显著降低。不同时效温度和Fe含量下Al-9Si-2Cu合金导电和导热性能见图8。175 ℃×2 h时效处理后，合金的导电和导热性能比铸态合金低，而250 ℃×2 h时效处理后，合金的导电和导热性能比铸态合金的高。不同Fe含量下，175 ℃×2 h时效处理后的试样相比铸态试样导电、导热性能平均降低了3.4%；不同Fe含量下，250 ℃×2 h时效处理后的试样相比铸态试样热导率、电导率平均提升了14%。

图7 不同时效温度和Fe含量下Al-9Si-2Cu合金力学性能

图8 不同时效温度和Fe含量下Al-9Si-2Cu合金导电、导热性能

不同Fe含量下Al-9Si-2Cu合金DSC曲线和相图见图9。从图9a可见，时效处理过程中不同Fe含量合金吸放热趋势基本一致。曲线有3个峰，从室温到峰1是过饱和固溶体向G.P.区转化，从峰1到峰2是G.P.区向θ″及θ″向θ′相转化。不同时效温度导致了G.P.区与θ′相的出现，从而改变了合金的力学性能。当合金中Fe含量低于1.2%时，β-Al5FeSi形成温度低于α-Al，当Fe含量高于1.2%时，β-Al5FeSi的形成温度为570~615 ℃，高于α-Al形成温度，在后续凝固已形成的β-Al5FeSi中对残余液相的流动补缩造成阻隔，降低了合金流动性，增大缩孔缩松形成概率，降低合金力学性能。同时随着Fe含量增加，合金的伸长率明显减小。由于合金中β-Al5FeSi相形成，针状铁相对合金基体有严重的割裂作用，因此，当针状铁相发达、数量较多时，使力学性能恶化。β-Al5FeSi在受力时会引起应力集中，形成裂纹源，降低合金抗拉强度与伸长率，使合金脆性断裂，见图10。

图9 不同Fe含量下Al-9Si-2Cu合金的DSC曲线与相图

图10 不同Fe含量下Al-9Si-2Cu合金断口形貌

合金导热机制有电子、声子、光子3种形式，合金导电和导热性能主要取决于电子平均自由程。第二相与固溶原子会影响电子平均自由程，电子通过第二相界面会增加散射概率，而固溶原子会破坏铝基体原有的周期性势场形成一种散射源，散射会降低电子平均自由程从而降低合金导电、导热性能。其中固溶原子是对材料导电性能影响最大的因素，同一个元素成为固溶原子相比成为第二相，材料电阻要提升一个数量级，见表2。

第二相的不同形貌对合金导热、导电性有不同影响。一般合金中的第二相形貌分为粗大板条状、网状、板条状、细小弥散状，见图11。其中细小弥散状对降低合金导电、导热性能的负面影响最小，粗大板条状对合金导电、导热性能的负面影响最大。随着Fe含量增加，β-Al5FeSi相以粗大板条状存在，同时粗大板条状β-Al5FeSi降低组织均匀性引起电子的散射率进一步增加。而在250 ℃×2 h试样中θ′-Al2Cu以网状形式存在，对合金导电、导热性能负面影响较小。

表2 杂质元素存在状态对铝合金导体电阻的率影响

图11 合金中第二相形貌及分布对电子散射的影响

结论

（1）175 ℃×2 h时效处理后，合金的导电和导热性能比铸态合金低，而250 ℃×2 h时效处理后，合金的导电和导热性能比铸态合金高，250 ℃×2 h时效处理的Al-9Si-2Cu-0.2Fe合金电导率、热导率分别为23.3 MS/m与173 W/（m·K）。

（2）175 ℃×2 h时效处理合金的强度优于铸态和250 ℃×2 h时效处理的合金，175 ℃×2 h时效处理的Al-9Si-2Cu-0.5Fe合金抗拉强度为304 MPa。

（3）175 ℃×2 h时效处理合金的基体组织中以G.P.区为主，只出现少量θ′相，G.P.区与基体保持共格或半共格界面，造成晶格畸变增大，自由电子散射几率增加，合金强度提高，导热、导电性能下降；250 ℃×2 h时效处理的合金中G.P.区消失，析出了大量的θ′-Al2Cu相，析出相与基体共格度减小导致晶格畸变减小，位错阻碍能力变小，自由电子散射机率降低，合金强度下降，导热、导电性能提高。

《时效温度对 Al-9Si-2Cu-xFe 合金微观组织和性能的影响》

李永圣 陈静思 汤传尧 张瑞啸 张卫文

华南理工大学机械与汽车工程学院

本文来自：《特种铸造及有色合金》杂志社