雙級(jí)時(shí)效工藝對(duì)富鐵ADC12鋁合金組織和硬度的影響

唐 鵬，覃 皓，2，趙艷君，許梅芳，詹 峰

(1.廣西大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院， 廣西南寧530004；2.廣西產(chǎn)品質(zhì)量檢驗(yàn)研究院 ， 廣西南寧530007)

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雙級(jí)時(shí)效工藝對(duì)富鐵ADC12鋁合金組織和硬度的影響

唐 鵬1，覃 皓1，2，趙艷君1，許梅芳1，詹 峰1

(1.廣西大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院， 廣西南寧530004；2.廣西產(chǎn)品質(zhì)量檢驗(yàn)研究院 ， 廣西南寧530007)

為了探索雙級(jí)時(shí)效工藝對(duì)富鐵ADC12鋁合金的影響，在不同二級(jí)時(shí)效溫度下對(duì)合金進(jìn)行熱處理，探討合金的顯微組織和硬度的變化規(guī)律。結(jié)果表明：隨著二級(jí)時(shí)效溫度的提高，合金中方塊狀初生硅棱角鈍化，樹枝狀共晶硅細(xì)化成球狀，長(zhǎng)針狀富鐵相細(xì)化且圓滑，硬度逐漸提高。在170 ℃的二級(jí)時(shí)效溫度下，合金組織分布均勻，布氏硬度比T6工藝的提高了14.1%，但當(dāng)二級(jí)時(shí)效溫度達(dá)到180 ℃時(shí)，合金會(huì)出現(xiàn)過(guò)時(shí)效現(xiàn)象，針狀組織再次聚集，硬度急劇降低。

雙級(jí)時(shí)效；富鐵；ADC12；過(guò)時(shí)效；硬度

鋁合金因其優(yōu)異性能被廣泛應(yīng)用于國(guó)民經(jīng)濟(jì)的各個(gè)行業(yè)。隨著社會(huì)的發(fā)展，鋁合金的需求和消耗快速增長(zhǎng)，鋁礦石資源日趨枯竭。原鋁的生產(chǎn)能量消耗較高，對(duì)環(huán)境的負(fù)面效應(yīng)較大[1]，而再生鋁的生產(chǎn)則很好地解決了以上的問(wèn)題。通過(guò)回收廢舊鋁生產(chǎn)再生鋁的能源消耗僅為原鋁生產(chǎn)的5%，每生產(chǎn)1 t再生鋁還可以節(jié)水10.05 t，分別減少SO2和CO2的排放0.6 t和0.8 t，減少赤泥1.5 t[2]。此外，再生鋁的生產(chǎn)不僅具有成本和能耗的優(yōu)勢(shì)，也符合國(guó)家建設(shè)可持續(xù)發(fā)展社會(huì)的要求。

ADC12鋁合金就是再生鋁，屬于Al-Si-Cu系可熱處理強(qiáng)化鋁合金，其鑄造性能良好，鑄件強(qiáng)度較高，同時(shí)具有優(yōu)異的耐腐蝕性能和切削性能 ，因此廣泛應(yīng)用于曲軸箱、齒輪箱、氣化器本體、照相機(jī)機(jī)體及電動(dòng)工具機(jī)體等零部件[3]。但國(guó)內(nèi)廢舊鋁回收和再生技術(shù)不完善，對(duì)雜質(zhì)元素尤其是Fe元素的控制還未找到有效的方法。而Fe易與ADC12合金中的Al、Si、Mn等元素發(fā)生反應(yīng)生成復(fù)雜相，這些復(fù)雜相以金屬化合物形態(tài)存在，如α-Fe和β-Fe等，對(duì)合金性能造成不利影響[4]。其次，合金中硅的形態(tài)也影響著其性能，因此，尋求能夠優(yōu)化鐵相和硅相的手段極其重要。研究表明，通過(guò)變質(zhì)劑可以顯著改善鋁合金中鐵相和硅相的尺寸和形貌[5-6]，進(jìn)而使合金的力學(xué)性能得到提高。但變質(zhì)劑對(duì)合金微觀組織的改善非常有限，其力學(xué)性能的提高需要進(jìn)一步的熱處理[7]。

傳統(tǒng)的熱處理工藝(T6)，經(jīng)時(shí)效處理后零件的硬度比鑄造態(tài)略有提升，在90～100 HBS。曾禮等[8]對(duì)熱處理工藝進(jìn)行了優(yōu)化，在175 ℃對(duì)ADC12鋁合金壓鑄件進(jìn)行低溫時(shí)效處理，使合金的硬度提高了18%，并對(duì)其低溫時(shí)效硬化機(jī)理進(jìn)行了理論分析，但目前對(duì)多級(jí)時(shí)效工藝的研究仍較少。本研究以富鐵ADC12鋁合金為研究對(duì)象，在確定固溶、淬火工藝后，設(shè)計(jì)多組雙級(jí)時(shí)效工藝[9]，并研究雙級(jí)時(shí)效熱處理工藝對(duì)富鐵ADC12鋁合金組織和硬度的影響規(guī)律，旨在優(yōu)化富鐵ADC12合金針狀組織的形貌，提高合金性能。

1 實(shí)驗(yàn)材料與方法

實(shí)驗(yàn)以某廠生產(chǎn)鐵含量較高的ADC12材料為基樣，合金成分如表1所示。以傳統(tǒng)熔煉工藝澆鑄鋁棒，所有試樣在距底部20 mm截面切取Φ20 mm×10 mm圓柱樣進(jìn)行不同工藝熱處理。

試樣經(jīng)打磨、拋光，并用0.5%HF進(jìn)行浸蝕。用蔡司金相顯微鏡觀察組織，分析熱處理前后微觀組織變化。用HB-3000B布氏硬度計(jì)型按照GB/T231標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行硬度檢測(cè)。用耐馳SAT449-型熱分析儀進(jìn)行DSC測(cè)試確認(rèn)固溶溫度和時(shí)效溫度。為了確定合金中相的組成和成分，使用Philips x pert MPD型X射線衍射儀進(jìn)行XRD掃描；采用Inca Energy350型X射線能譜儀配合Nova NanoSEM 430型超高分辨率場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡進(jìn)行EDS能譜分析，并拍攝高倍SEM圖片。

表1 某廠生產(chǎn)的ADC12鋁錠化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))

2 熱力學(xué)分析及熱處理制度設(shè)計(jì)

2.1 原始樣品的DSC分析

本研究采用單因素變量法設(shè)計(jì)遞增的二級(jí)時(shí)效溫度，分析合金組織變化對(duì)硬度的影響。為確定熱處理溫度，分別對(duì)原始樣品和T6處理的樣品進(jìn)行差示描量熱分析(DSC)，結(jié)果如圖1所示。

由圖1可知，在532 ℃和580 ℃附近有明顯的放熱峰，表明在這兩個(gè)溫度范圍內(nèi)有相的析出。其中，532 ℃峰為Fe、Cu等元素與Al形成不溶氧化物沉淀析出所致，此過(guò)程之前應(yīng)該為氧化物的固溶、長(zhǎng)大和聚集；580 ℃為共晶相的熔化溫度。參考常規(guī)T6熱處理，將固溶溫度設(shè)定為515 ℃。

2.2 T6熱處理樣品的DSC分析

由圖2中T6處理樣DSC分析可見(jiàn)，在117 ℃附近出現(xiàn)波動(dòng)的放熱峰，表明開(kāi)始GP區(qū)和介穩(wěn)相的析出，而在198 ℃左右出現(xiàn)吸熱峰，表明穩(wěn)定相已發(fā)生分解，即發(fā)生過(guò)時(shí)效現(xiàn)象?？梢酝茢?，時(shí)效發(fā)生在117～198 ℃。由此可以把一級(jí)時(shí)效溫度定為120 ℃，二級(jí)時(shí)效溫度分別為150、160、170、180 ℃。

圖1 富鐵ADC12鑄態(tài)DSC曲線

Fig.1 DSC curve of as-cast Fe-rich ADC12

圖2 T6熱處理樣品DSC曲線

Fig.2 DSC curve of T6 heat treatment

2.3 熱處理制度的設(shè)計(jì)

熱處理工藝設(shè)計(jì)：①固溶工藝處理，將試樣放入箱式電阻爐中，在515 ℃下保溫8 h進(jìn)行固溶處理；②將固溶處理后的樣品立即放入溫度為24 ℃的蒸餾水中進(jìn)行淬火，淬火轉(zhuǎn)移時(shí)間不超過(guò)15 s；③淬火后立即放入帶風(fēng)循環(huán)的干燥箱進(jìn)行時(shí)效處理。其中，1#試樣采用一次時(shí)效工藝，即常規(guī)T6處理(155 ℃下保溫6 h)。2#～5#試樣采用雙時(shí)效工藝，其一級(jí)時(shí)效相同，即在120 ℃下保溫6 h，二次時(shí)效時(shí)間均設(shè)計(jì)為4 h，溫度依次遞增，分別為150、160、170、180 ℃。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 熱處理制度對(duì)合金金相組織的影響

由圖3可見(jiàn)，鑄態(tài)組織以粗大塊狀的初晶硅以及枝晶狀、針狀的共晶硅和粗大針狀β-Fe相為主。在經(jīng)過(guò)常規(guī)T6熱處理后，初晶硅棱角發(fā)生鈍化而變得圓滑，針狀的共晶硅及β-Fe則被細(xì)化成細(xì)小的圓點(diǎn)狀。當(dāng)二級(jí)時(shí)效溫度較低時(shí)針狀相仍然存在，隨著二級(jí)時(shí)效溫度提高，針狀相在熱處理過(guò)程中發(fā)生溶解、碎斷和球化而輕微變短圓潤(rùn)，且在基體內(nèi)零星分布。當(dāng)達(dá)到170 ℃時(shí)針狀相、初晶硅幾乎完全球化，但達(dá)到180 ℃時(shí)出現(xiàn)過(guò)時(shí)效現(xiàn)象，針狀相再次大量出現(xiàn)。

(a) 鑄態(tài)

(b) T6

(c) 150 ℃

(d) 160 ℃

(e) 170 ℃

(f) 180 ℃

圖4 熱處理后各試樣的硬度平均值Fig.4 Heat treatment’s average hardness of samples

3.2 熱處理制度對(duì)合金金硬度的影響

以GB/T231標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試得到的合金布氏硬度平均值如圖4所示。由圖4可以看出，隨著二級(jí)時(shí)效溫度的提高，試樣的硬度逐漸升高，并在二級(jí)時(shí)效溫度為170 ℃時(shí)達(dá)到最高，隨后降低。合金硬度的降低可能是時(shí)效溫度過(guò)高所引起過(guò)時(shí)效效應(yīng)導(dǎo)致的。因此，二級(jí)時(shí)效溫度選為170 ℃比較合理。與常規(guī)T6工藝1#試樣相比，4#試樣硬度值提高了10%。

3.3 熱處理對(duì)合金材料顯微組織的影響

對(duì)合金試樣拍攝1 000倍電鏡照片，并進(jìn)行點(diǎn)掃描分析，結(jié)果如圖5所示。

圖5(a)為原始ADC12樣的掃描電鏡圖，可見(jiàn)圖中有大量的針狀組織出現(xiàn)，針狀組織有長(zhǎng)有短，且顏色深淺度不同。圖5(b)為4#熱處理工藝試樣的掃描電鏡圖片，可見(jiàn)圖中的組織幾乎變?yōu)轭惽驙?、小顆粒狀、短棒狀組織。

表2 不同區(qū)域的能譜分析結(jié)果

為進(jìn)一步確定電鏡圖中特征組織的成分，通過(guò)點(diǎn)掃描分析其元素含量。

對(duì)圖5(a)中凸起的淺色較直的針狀相(A點(diǎn))進(jìn)行了點(diǎn)掃描分析，可知其主要成分為Al-Fe-Si；對(duì)圖中深色的樹枝狀和板條狀的組織(D點(diǎn))進(jìn)行點(diǎn)掃描，可知其主要成分是Al-Si。對(duì)圖5(b)中的灰色球狀顆粒(B點(diǎn))進(jìn)行點(diǎn)掃描，可知其主要成分為Al-Si-Fe，與原始樣相比，4#工藝熱處理樣的Si和Fe含量已經(jīng)大為減少，但Si/Fe的比例仍接近2∶1;對(duì)黑色短棒狀顆粒(C點(diǎn))進(jìn)行點(diǎn)掃描，可知其主要成分是Al-Si，與原始樣相比，4#工藝熱處理樣的Si含量明顯增多。

(a) 原始樣

(b) 4#工藝熱處理樣

圖5 富鐵ADC12合金掃描電鏡照片

Fig.5 SEM images of Fe-rich ADC12 alloy

對(duì)原始樣和4#熱處理工藝樣進(jìn)行XRD檢測(cè)和EDS能譜分析。由圖6可知，圖5(a)中A點(diǎn)出現(xiàn)的長(zhǎng)針狀主要為Al9FeSi3相，也就是再生鋁合金中主要的有害相β針狀相；而少量的Al15FeSi相即為鋁合金中的α相，其對(duì)合金的性能影響較少。由于固溶和時(shí)效熱處理對(duì)合金相的類型無(wú)影響，只是影響析出相的形態(tài)和尺寸等外部特征，因此，熱處理樣品微觀組織也由AlSi相和Fe相組成。圖5(b)中B點(diǎn)暗灰色組織有Fe存在，通過(guò)XRD的分析表明主要是Fe0.42Si2.67的鐵硅組織，由危害較大的β相轉(zhuǎn)變?yōu)棣料唷D5(b)中C點(diǎn)深黑色為鋁硅共晶組織，通過(guò)4#工藝熱處理后小針狀的鋁硅共晶組織轉(zhuǎn)變?yōu)轭惽驙畹慕M織。結(jié)合布氏硬度的數(shù)據(jù)分析可知，原始樣中長(zhǎng)針狀、短針狀組織經(jīng)過(guò)熱處理后都變成類球狀顆粒組織，同時(shí)其硬度也得到相應(yīng)的提高。

(a) 原始樣X(jué)RD分析

(b) 4#熱處理工藝XRD分析

圖6 XRD分析

Fig.6 XRD pateterns

通過(guò)分析可知，隨著二級(jí)時(shí)效溫度的提高，不規(guī)則的初晶硅相不斷鈍化，形狀趨向于圓形；熔斷的共晶硅從短棒狀趨向于圓質(zhì)點(diǎn)，且分布越發(fā)均勻；粗大針狀Fe細(xì)化或碎斷，由β相轉(zhuǎn)變?yōu)棣料唷５?jí)時(shí)效溫度超過(guò)180 ℃度后出現(xiàn)了明顯的過(guò)時(shí)效現(xiàn)象，大量的針狀β鐵相再次出現(xiàn)，共晶硅相也逐漸短棒化。

3.4 雙級(jí)時(shí)效熱處理的機(jī)理分析

本研究中，ADC12熱處理過(guò)程的淬火介質(zhì)溫度為24 ℃，鑄錠可以獲得較大的冷卻速度，從而提高α固溶體的過(guò)飽和度，使硬度增大。文獻(xiàn)[10]的研究指出，冷卻速度為5 ℃/s時(shí)，針狀β鐵相出現(xiàn)的臨界含量為0.8%，冷卻速度達(dá)到10 ℃/s時(shí)，針狀β鐵相出現(xiàn)的臨界含量為1.0%。本研究中冷卻速度大于10 ℃/s，因此相對(duì)抑制了β鐵相的析出。文獻(xiàn)[11]的研究還表明，提高冷卻速度不僅能改善鐵相的形態(tài)，而且會(huì)使其分布更均勻。較高的冷卻速度對(duì)ADC12產(chǎn)生了較好的強(qiáng)化和硬化作用。

ADC12屬于Al—Si—Cu系合金，其中Si、Cu元素對(duì)合金都起到強(qiáng)化和硬化作用。含鐵量為0.9%～1.6%的ADC12合金，雖然當(dāng)Fe含量較高時(shí)會(huì)在基體中形成針狀相，產(chǎn)生割裂作用，從而降低合金性能[12]，但Fe可形成不溶于Al的金屬化合物，能提高合金的高溫強(qiáng)度和硬度而又不降低其線膨脹系數(shù)[13]。Si在基體中沉淀和偏聚的速度較快，不形成共格或者半共格的過(guò)渡相，產(chǎn)生的強(qiáng)化和硬化作用不明顯。Cu溶解在α(Al)基體中或與其他元素形成金屬間化合物，如Al2Cu，Cu在合金中起著主要的強(qiáng)化和硬化效果。Cu的強(qiáng)化作用主要有兩個(gè)：一是Cu原子溶解進(jìn)入Al原子晶格中，引起晶格畸變，原子的躍遷需要大量的能量，產(chǎn)生固溶強(qiáng)化；二是連續(xù)集體相中存在的Al2Cu晶粒阻礙原子擴(kuò)散，使躍遷難以進(jìn)行，產(chǎn)生沉淀相強(qiáng)化[14, 15]。

4 結(jié) 語(yǔ)

通過(guò)對(duì)富鐵ADC12合金雙級(jí)時(shí)效工藝的研究表明：

①經(jīng)過(guò)常規(guī)T6熱處理和雙級(jí)時(shí)效熱處理后，ADC12原始樣中不規(guī)則塊狀的初晶硅發(fā)生棱角鈍化，趨向變成球狀；樹枝狀、棒狀的共晶硅熔斷細(xì)化變成短細(xì)的棒狀或圓質(zhì)點(diǎn)，均勻地分布在基體中；粗大較長(zhǎng)的針狀β-Fe相隨著時(shí)效溫度的升高得到細(xì)化，F(xiàn)e元素分布彌散，β-Fe相轉(zhuǎn)變?yōu)楣趋罓顝浬⒌摩?Fe相。

②只有選擇合適的二級(jí)時(shí)效溫度才能出現(xiàn)均勻分布的金相組織。當(dāng)雙級(jí)時(shí)效的熱處理工藝為515 ℃×8 h+水淬(24 ℃)+120 ℃×6 h+170 ℃×4 h時(shí)，平均硬度可達(dá)到111HBS，比傳統(tǒng)一級(jí)時(shí)效T6工藝提高10%。當(dāng)二級(jí)時(shí)效溫度達(dá)到180度時(shí)，出現(xiàn)了明顯的過(guò)時(shí)效現(xiàn)象，合金硬度降低，針狀組織再次出現(xiàn)。

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(責(zé)任編輯 裴潤(rùn)梅)

Influence of duplex aging on the microstructure and hardness of Fe-rich ADC12 aluminum alloy

TANG Peng1, QIN Hao1,2, ZHAO Yan-jun1, XU Mei-fang1, ZHAN Feng1

(1.College of Materials Science and Engineering, Guangxi University, Nanning 530004,China; 2.Guangxi Zhuang Autonomous Region Testing Institute of Product Quality, Nanning 530007,China)

In order to investigate the effect of duplex aging process on ADC12 with rich Fe phase, different second aging heat treatment processes were carried out on these alloys. The variations of microstructures and hardness were discussed. The results indicate that sharp-angled parts in the blocky primary Si were smooth with the increase of second aging temperatures. Meanwhile, the eutectic Al-Si with dendritic shapes was refined and turn into the sphere shape. The needle like Fe-rich phase was also refined and smoothed with the hardness promotion. The alloy with homogeneously microstructure was obtained by using the second aging process at 170 ℃, whose hardness (HB) is 14.1%, higher than that of the alloy treated by using T6 process. The over aging was observed after the alloy was treated by the second aging at 180 ℃. The needle phase agglomerated again in the microstructure, which led to the reduction of hardness.

duplex aging; Fe-rich; ADC12; over aging; hardness

2016-04-10；

2016-06-13

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(11364003，51661004)；廣西自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(2012GXNSFBA053143,2014GXNSFAA118025)；廣西科學(xué)研究與技術(shù)開(kāi)發(fā)重大專項(xiàng)計(jì)劃(桂科重14122001-3);廣西大學(xué)有色金屬及材料加工新技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開(kāi)放基金資助(GXKFJ09-10)； 廣西大學(xué)“大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃”資助項(xiàng)目(201410593156)；廣西生態(tài)鋁產(chǎn)業(yè)協(xié)同創(chuàng)新中心資助項(xiàng)目

唐 鵬(1980—)，男，廣西全州人，廣西大學(xué)講師，博士； E-mail: tangpeng@gxu.edu.cn。

唐鵬，覃皓，趙艷君,等.雙級(jí)時(shí)效工藝對(duì)富鐵ADC12鋁合金組織和硬度的影響[J].廣西大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2016，41(5)：1702-1708.

10.13624/j.cnki.issn.1001-7445.2016.1702

TG166.3

A

1001-7445(2016)05-1702-07