摘要：研究了A356鋁合金在不同時效工藝下的力學(xué)性能及微觀組織。結(jié)果表明：A356鋁合金在間斷時效工藝(T6／6)下比傳統(tǒng)T6處理工藝時的抗拉強(qiáng)度提高11％，硬度提高了12％，斷后伸長率提高40％；合金中共晶硅球化、細(xì)小且分布更加均勻。

關(guān)鍵詞：A356合金；熱處理；間斷時效；微觀組織

中圖分類號：TG146．2 1 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1001-4977(2005)08-0791-03

YAO Xiu-jun，BIAN Xiu-fang，YIN Kui-bo

(Key Lab of Liquid Structures and Heredity of Materials，Shandong University，Ji’nan 250061，Shandong，China)

Abstract：Various ageing tempers on mechanical properties and microstructures of A356 alloy were investigated．The experiment results showed as the following：the ultimate tensile strength of A356 alloy in interrupted ageing is increased by about 11％ than those in T6 temper。the hardness isimproved by 12％ ，and the extension rate is increased by about 40％ ：the small and sphericaleutectic silicon particles are distributed more evenly．

Keywords：A356 alloy；heat treatment：interrupted ageing；microstructures

鑄造A356合金具有較高的熱處理強(qiáng)化效果，有良好的力學(xué)性能和抗蝕性能，其流動性、填充性好，被廣泛用于飛機(jī)、輪船及汽車上的某些高要求的復(fù)雜鑄件。將鑄件進(jìn)行傳統(tǒng)T6處理可提高合金的強(qiáng)度和硬度。影響合金時效硬化效果的因素很多，例如強(qiáng)化元素含量，各種鑄造及熱處理工藝參數(shù)等。鑄造Al-Si基合金經(jīng)過固溶淬火處理不但得到過飽和的α(A1)同溶體基體，同時共晶si相得到球化，從而使合金韌度提高，稱為“熱孕育”^【1】。提高同溶溫度可以縮短達(dá)到最大固溶效果所需保溫時間，但固溶溫度過高或保溫時間過長使Si相粗化。人工時效溫度越高，達(dá)到時效硬化峰值所需時效時間越短，但時效峰值硬度降低^【2-4】。淬火到人工時效的時間間隔對隨后進(jìn)行的人工時效效果也具有重要的影響^【5】。本文的目的在于探索特殊的熱處理工藝對A356合金力學(xué)性能影響，并將建立其力學(xué)性能和微觀組織的關(guān)系。

1 試驗(yàn)材料和方法

采用工業(yè)高純鋁、工業(yè)硅、Al-l0％Mg、Al-20％Ti等中間合金。預(yù)先配制中間合金，然后在中頻感應(yīng)爐中熔煉合金并攪拌，用c2cl6 進(jìn)行精煉除氣，扒渣后澆

注。所得合金成分：w(Si)=7％、w(Mg)=0．4％ 、w(Ti)= 0．2％ ，余量為Al。

在預(yù)熱的金屬型模具中澆注三組標(biāo)準(zhǔn)的拉伸力學(xué)試棒，一組不進(jìn)行熱處理，另外兩組放入測量精度為±3℃箱式高溫電阻爐中，分別進(jìn)行傳統(tǒng)T6和T6／6熱處理(見圖1)。其中A356鋁合金T6熱處理采取最佳工藝參數(shù)：固溶處理535℃／10h，淬火延遲時間小于10 S，時效處理l65℃／5h，然后空冷^【6】。T6／6處理分為三個階段：高溫時效強(qiáng)化→低溫度的回歸處理→較高溫度下再時效。經(jīng)過大量試驗(yàn)確定T_a、T_b 的溫度(表1)。

標(biāo)準(zhǔn)的拉伸力學(xué)試樣在CMT5l05微機(jī)控制、電子萬能實(shí)驗(yàn)機(jī)上做力學(xué)性能檢測。布氏硬度試樣的尺寸為Φl2 mm x 5 mm，壓頭為Φ5mm，載荷l000kg，保壓時間30S，取6個測點(diǎn)的平均值。取自中部截面處的金相試樣經(jīng)粗磨、細(xì)磨和研磨拋光后，在HITACHIS-570光學(xué)顯微鏡下觀察其微觀組織結(jié)構(gòu)。

圖l 間斷時效(T6／6)示意圖

Fig．I Schematic representation of interrupted ageing tempers

表1 不同的熱處理狀態(tài)

2 試驗(yàn)結(jié)果及討論

2．1 間斷時效制度下A356合金的力學(xué)性能

鑄造A356合金中的主要時效脫溶相為B序列脫溶相：

αsss→GPzone→β” →β” →βphase(Mg₂Si)

時效強(qiáng)化是鋁合金的主要強(qiáng)化手段，形成強(qiáng)化的原因一般可用位錯理論解釋。傳統(tǒng)T6熱處理的鋁合金組織中，GP區(qū)富集了大量的Mg、Si原子，引起晶格畸變，Mg、Si原子繼續(xù)富集并有序化，在晶界上或螺旋位錯上直接沉淀出來，形成β”相，阻礙位錯運(yùn)動，其表現(xiàn)為強(qiáng)度和硬度較高^{【7】” 相基礎(chǔ)上Mg、Si原子繼續(xù)富集而形成的，析出更多的β(Mg₂si)強(qiáng)化相，使強(qiáng)度和硬度達(dá)到更高的水平。}。新工藝鋁合金組織中的β相，可視為是在β

本試驗(yàn)中A356鋁合金在未經(jīng)熱處理時，力學(xué)性能很差；同成分的合金經(jīng)過T6處理后，合金的抗拉強(qiáng)度、斷后伸長率和硬度等力學(xué)性能大幅提高；而相同成分A356合金經(jīng)過問斷時效后，材料的力學(xué)性能達(dá)到了更高的水平(如表2)。

表2 不同試樣的力學(xué)性能

(1)抗拉強(qiáng)度δ_b高達(dá)335.4 MPa，比未熱處理時提高76.2％，比經(jīng)過傳統(tǒng)T6處理提高11.3％。

(2)斷后伸長率δ達(dá)到7％， 比傳統(tǒng)T6處理提高了40％。

(3)布氏硬度為93.3，比未熱處理時提高29％ ，同時比傳統(tǒng)T6處理的合金硬度提高近12％。

2．2 間斷時效制度下A356鋁合金的微觀組織

A356鋁合金鑄態(tài)、傳統(tǒng)T6熱處理以及T6／6熱處理后的金相組織分別見圖2和圖3。

圖2 A356合金鑄態(tài)顯微組織

Fig．2 Microstructures ofaboriginality ofA356 alloy

(a)T6熱處理

(b)T6／6熱處理

圖3 不同時效處理后A356鋁合金的顯微組織

Fig．3 Microstructures ofA356 alloy after diferent ageing treatment

A356合金為A1-Si系多元合金， 由于含硅量較高，A1-Si共晶相以粗大的針狀晶結(jié)晶，降低了力學(xué)性能，合金塑性很低，所以需要經(jīng)過熱處理使共晶硅由粗針狀細(xì)化，從而改善合金的力學(xué)性能。在未良好熱處理的A356鋁合金中，共晶硅相在初生α枝晶之間呈粗大長針狀生長，且分布很不均勻(圖2)，嚴(yán)重影響了合金的力學(xué)性能^【8】。

A356鋁合金熱處理的目的是：在固溶階段充分溶解在凝同過程中形成的Mg₂Si相，使Mg和Si等最大限度溶入固溶體中，以便在隨后的時效過程中非平衡析出大量細(xì)小的Mg₂Si相；使鑄件組織均勻化，減少合金元素的微觀偏析，克服在凝固過程中形成的合金成分的不均勻性；更重要的是改善其中共晶硅相的形貌、大小和分布，使共晶硅球化、細(xì)小和均勻分布^【9】。本試驗(yàn)中A356鋁合金經(jīng)T6／6處理比傳統(tǒng)T6處理共晶硅更加細(xì)小、分布也更加均勻(圖3b)，從而提高合金的力學(xué)性能。

鋁合金的時效硬化是一個很復(fù)雜的過程，決定于合金的組成、時效工藝。目前普遍認(rèn)為時效硬化是溶質(zhì)原子偏聚形成硬化區(qū)的結(jié)果。A356鋁合金的金相組織是由球狀的基體組織(α-Al)和包圍在基體組織周圍的共晶組織(主要是α-Al β-Si)組成。在傳統(tǒng)T6熱處理中，基體組織除了發(fā)生長大外，在形態(tài)和組織上沒發(fā)生變化，而共晶組織則發(fā)生了較大的變化。從圖中可知，共晶組織由白色的α-Al和黑色的塊狀組織組成，塊狀組織所占比例較大且不均勻的分布在共晶組織中。T6／6處理分為三個階段：高溫時效強(qiáng)化→低溫度的回歸處理→較高溫度下再時效。第一階段高溫時效強(qiáng)化作用與傳統(tǒng)T6處理相同，析出強(qiáng)化相； 由于人工時效溫度越高，達(dá)到時效硬化峰值所需時效時間越短，但時效峰值硬度降低；第二階段時效制度在較低的溫度下進(jìn)行對合金回歸處理，防止強(qiáng)化相在長時間高溫時效下粗大，同時為下一步時效準(zhǔn)備；而第三階段時效制度在較高溫下進(jìn)行，其目的是更多的析出質(zhì)點(diǎn)，析出質(zhì)點(diǎn)更細(xì)小，析出質(zhì)點(diǎn)間的距離更小、更均勻。第三階段時效是利用第二階段時效后合金中還有一定的固溶飽和度來進(jìn)行時效強(qiáng)化的補(bǔ)充，該第三階段時效完全是前兩級時效的補(bǔ)充。經(jīng)過T6／6處理以后，白色的α-Al變的更為細(xì)小，塊狀組織仍然存在且比例有所下降，但分布比原始態(tài)更均勻些。過飽和的基體中不斷析出彌散的強(qiáng)化相，使其強(qiáng)度不斷上升。

3 結(jié)論

(1)A356鋁合金在間斷時效(T6／6)處理后抗拉強(qiáng)度δ_b高達(dá)334.5 MPa，比T6處理提高11.3％；斷后伸長率達(dá)到7％ ，提高了40％；布氏硬度為93.3，比T6處理的合金硬度提高近12％。

(2)A356鋁合金經(jīng)過間斷時效(T6／6)處理后，共晶硅顆粒得到細(xì)化、球化和分布更加均勻。