時(shí)效處理對(duì)A390擠壓態(tài)合金組織及性能的影響

李史星，苗艷偉

(洛陽麥達(dá)斯鋁業(yè)有限公司，河南 洛陽 471009)

A390過共晶鋁硅合金由于具有熱膨脹系數(shù)小、體積穩(wěn)定性高，以及優(yōu)良的耐磨性耐蝕性和一定的高溫強(qiáng)度，被廣泛用于制動(dòng)鼓、汽車輪轂、發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子及斜盤等耐磨件，是汽車、摩托車、工程機(jī)械等發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)的首選材料之一。

目前國內(nèi)高品質(zhì)過共晶鋁硅合金制品主要還是依賴進(jìn)口，一些發(fā)達(dá)國家主要采用連鑄技術(shù)配合先進(jìn)的半固態(tài)成型技術(shù)進(jìn)行過共晶鋁硅合金(A390合金為主)的零件生產(chǎn)，因此制件性能得到大幅提高。為了突破這一技術(shù)難題，打破國外技術(shù)壟斷，國內(nèi)對(duì)過共晶鋁硅合金半固態(tài)成形技術(shù)開展了系統(tǒng)的研究和開發(fā)，認(rèn)為合金熔體的變質(zhì)處理、強(qiáng)制均勻凝固、半固態(tài)成形以及熱處理工藝，是獲得高端過共晶合金制品的關(guān)鍵技術(shù)，其中熱處理可以最大限度發(fā)揮A390類鋁硅合金的性能潛力。本文對(duì)A390合金進(jìn)行固溶、時(shí)效處理，以期通過組織觀察、力學(xué)性能檢測(cè)等方法，來研究時(shí)效時(shí)間和溫度對(duì)A390合金硬度等性能的影響，從而進(jìn)一步分析A390合金的熱處理強(qiáng)化機(jī)制及影響因素，為生產(chǎn)開發(fā)和應(yīng)用提供試驗(yàn)與理論依據(jù)[1-3]。

1 實(shí)驗(yàn)過程

1.1 熱處理實(shí)驗(yàn)方案

(1)固溶處理。A390合金的固溶處理保溫溫度一般要低于固熔線溫度或共晶相熔點(diǎn)10℃～15℃。本實(shí)驗(yàn)選取保溫溫度為490℃，時(shí)間為8h。

(2)時(shí)效處理。將固溶后的試樣放入DHG-9070A型電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱中，分別在170℃、180℃、190℃下保溫4h、8h、12h和16h進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)。熱處理實(shí)驗(yàn)方案具體見表1。

表1 熱處理實(shí)驗(yàn)方案

1.2 金相及顯微組織觀察實(shí)驗(yàn)

A390合金試樣的制備包括取樣、磨制、拋光、浸蝕等工序，制備好的試樣應(yīng)能觀察到真實(shí)組織，無劃痕，并使金屬組織中的雜夾物，第二相等不脫落，否則將會(huì)嚴(yán)重影響顯微分析的正確性。

采用XJP-3A型臺(tái)式金相顯微鏡對(duì)熱處理前后試樣進(jìn)行金相顯微組織觀察與分析，并且采用掃描電子顯微鏡觀察各種熱處理前后試樣微觀組織、合金元素分布及試樣斷口形貌。

1.3 拉伸實(shí)驗(yàn)

加工試樣是用臥式車床加工成粗糙試樣，試樣尺寸見圖1，然后用砂紙把試樣表面磨光，以致沒有顯微缺口即可。拉伸試樣在室溫和軸向加載條件下進(jìn)行，試驗(yàn)機(jī)加載軸線與試樣軸向重合，載荷緩慢施加，應(yīng)力應(yīng)變同步，試樣應(yīng)變速率為<10-1/s。記錄實(shí)驗(yàn)結(jié)果，包括試樣抗拉強(qiáng)度σb和拉伸延伸率δ5。

圖1 拉伸試樣尺寸Fig.1 Tensile specimen size

1.4 布氏硬度實(shí)驗(yàn)

此次布氏硬度試驗(yàn)的規(guī)格是硬質(zhì)合金壓頭(直徑D=5.0mm)，試驗(yàn)力p=2452N，試驗(yàn)力保持時(shí)間為30s。測(cè)試前將試樣表面的氧化層磨去，保證試樣上下面平行。

分別對(duì)170℃溫度下時(shí)效4h、8h、12h、16h的試樣編號(hào)1、2、3、4；180℃溫度下時(shí)效4h、8h、12h、16h的試樣編號(hào)5、6、7、8；190℃溫度下時(shí)效4h、8h、12h、16h的試樣編號(hào)9、10、11、12。 對(duì)這12個(gè)試樣進(jìn)行布氏硬度測(cè)驗(yàn)，分析時(shí)效對(duì)硬度的影響。硬度實(shí)驗(yàn)在HB-3000B型布氏硬度試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 時(shí)效處理對(duì)A390合金硬度的影響

本實(shí)驗(yàn)中測(cè)量布氏硬度。制備布氏硬度試樣，按國標(biāo)規(guī)定使用布氏硬度儀先測(cè)出試樣上3個(gè)點(diǎn)壓痕直徑，計(jì)算平均壓痕直徑，然后通過對(duì)照表得到對(duì)應(yīng)的硬度值(表2)。圖2展示了不同時(shí)效溫度下的硬度值。

表2 擠壓態(tài)及時(shí)效后試樣布氏硬度

從表2可以看出，對(duì)比擠壓態(tài)試樣，熱處理后試樣硬度值有明顯提高。從圖2中可以看出，合金有明顯的時(shí)效硬化效應(yīng)，隨著時(shí)效時(shí)間的延長，合金的硬度逐漸升高，在達(dá)到峰值后繼續(xù)延長時(shí)效時(shí)間則合金的硬度又會(huì)降低。

影響布氏硬度的因素有合金元素固溶、空位及未溶相等。經(jīng)固溶時(shí)效處理后合金中第二相分布會(huì)比鑄態(tài)下更彌散，這是導(dǎo)致熱處理后比鑄態(tài)下硬度明顯提升的原因。時(shí)效過程是一個(gè)熱激活過程，同時(shí)受時(shí)間和溫度影響。時(shí)效時(shí)第二相的脫溶符合固態(tài)相變的階次規(guī)則，脫溶順序一般為，偏聚區(qū)→過渡相(Al2Cu的多渡相θ和Mg2Si的過渡相β)→平衡相。過程中析出的亞穩(wěn)定過渡相一般與基體呈共格或半共格界面，晶格畸變能很大，對(duì)材料強(qiáng)化很重要；平衡相則一般與基體形成新的非共格界面，晶格畸變能較小，對(duì)材料強(qiáng)化作用小于亞穩(wěn)相。所以對(duì)應(yīng)圖2中呈現(xiàn)相同溫度下隨著保溫時(shí)間延長硬度曲線出現(xiàn)先升高后降低現(xiàn)象[4-5]。

圖2 一定時(shí)效溫度不同時(shí)效時(shí)間下的硬度關(guān)系Fig.2 Hardness relationship of different aging time at certain aging temperature

由圖2可清晰的得到結(jié)論，熱處理后試樣與擠壓態(tài)試樣相比硬度有顯著提高；在相同時(shí)效溫度下，時(shí)效時(shí)間8h，試樣硬度最大；時(shí)效時(shí)間8h，時(shí)效溫度190℃，樣品硬度最大。

2.2 拉伸試驗(yàn)結(jié)果及分析

對(duì)熱處理后的12個(gè)試樣進(jìn)行硬度測(cè)試之后，得到硬度最好的熱處理工藝是490℃固溶8h，水淬，之后190℃時(shí)效8h，空冷。加工該工藝?yán)煸嚇樱瓿衫鞂?shí)驗(yàn)，并根據(jù)拉伸數(shù)據(jù)和微觀斷口進(jìn)行分析拉伸性能。

2.2.1 拉伸實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

圖3 是A390合金在室溫下測(cè)試的應(yīng)力應(yīng)變曲線圖。從圖3可知隨著應(yīng)力的增加應(yīng)變隨之增加，試樣最終抗拉強(qiáng)度平均為325MPa。

圖3 A390合金在室溫下測(cè)試的應(yīng)力應(yīng)變曲線Fig.3 Stress-strain curves of A390 alloy measured at room temperature

2.2.2 拉伸斷口形貌分析

熱處理490℃×8h+時(shí)效190℃×8h的試樣，完成拉伸實(shí)驗(yàn)，通過掃描電子顯微鏡觀察微觀斷口形貌。 樣品不同放大倍數(shù)的拉伸斷口形貌如圖4所示。

圖4 試樣拉伸斷口形貌Fig.4 Tensile fracture appearance of specimen

從圖4可知，A390過共晶鋁硅合金的室溫拉伸斷裂方式為混合斷裂，既有初晶硅的脆性斷裂特征，同時(shí)又有鋁基體的韌性斷裂特征。脆性斷裂裂紋多起源于晶界及初晶硅與基體結(jié)合處，這是因?yàn)槌蹙Ч璐执蟛⑶液艽?，容易發(fā)生偏聚而造成應(yīng)力集中有關(guān)。在外力作用下， 基體與初晶硅的變形程度不同，產(chǎn)生很大的內(nèi)應(yīng)力，從而使裂紋從它們的結(jié)合處開始萌生，隨著拉伸的進(jìn)行沿著結(jié)合處擴(kuò)展，最后斷裂。在圖4(a)中能看到有些許塑坑存在，說明樣品有一定的塑性；圖4(d)中又能看到深而整齊的溝痕，說明樣品斷裂主要為脆性斷裂。

2.3 顯微組織分析

2.3.1 A390擠壓態(tài)試樣金相顯微組織

圖5是A390過共晶鋁硅合金的垂直擠壓面和平行擠壓面的金相組織形貌。

圖5 A390合金金相組織形貌Fig.5 Metallographic morphology of A390 alloy

平行擠壓面與垂直擠壓面組織相比較，內(nèi)部組織均勻程度高，初晶硅晶粒更完整但平均尺寸大，初晶硅與共晶硅棱角有所鈍化，這些特點(diǎn)使性能有所提升。而與此相反， 垂直擠壓面的A390過共晶鋁硅合金組織初晶硅略小， 但尖角現(xiàn)象明顯，制約了應(yīng)用性能的提高。

圖6為A390合金擠壓態(tài)XRD分析。由圖6可得，A390合金的鑄態(tài)組織有α-Al固溶體、θ(Al2Cu)。根據(jù)文獻(xiàn)可知，還有 Al2CuMg及少量Al-Fe-Si等雜質(zhì)Fe相，但是這些相比較少，無法用XRD圖譜分析出。由于合金化元素比較多，所以在α-Al晶界有大量的共晶體，它們以網(wǎng)狀形態(tài)分布在晶界上。這些晶界相的存在嚴(yán)重割裂了基體組織，因而大大降低合金的性能，所以合金必須進(jìn)行熱處理以消除其組織缺陷。

2.3.2 時(shí)效處理對(duì)合金顯微組織的影響

(1)熱處理后A390合金顯微組織

圖7是A390過共晶鋁硅合金擠壓鑄造件熱處理后的形貌圖，與圖5平行擠壓面擠壓態(tài)樣品對(duì)比可以看出，合金經(jīng)過熱處理后，初晶硅的棱角鈍化。

圖6 擠壓態(tài)XRD分析Fig.6 Extruded XRD analysis

圖7 固溶490℃×8h 時(shí)效170℃×8hFig.7 Solution at 490 ℃ × 8 h and aging at 170 ℃ × 8 h

在合金未進(jìn)行熱處理時(shí)，合金內(nèi)部的初晶硅具有尖銳的棱角，這些尖銳的棱角具有割裂鋁基體的作用。在材料服役過程中，往往會(huì)在初晶硅與鋁基體結(jié)合的地方產(chǎn)生裂紋，從而導(dǎo)致材料的強(qiáng)度、塑性、耐磨性等降低。當(dāng)合金經(jīng)過熱處理以后，初晶硅尖銳的棱角有所鈍化，增加了硅顆粒與基體的結(jié)合緊密程度，有效抑制了裂紋的形成。

(2)不同時(shí)效工藝下的金相組織及XRD圖像對(duì)比

圖8是170℃下不同時(shí)效時(shí)間的金相組織。仔細(xì)與圖5平行擠壓面擠壓態(tài)對(duì)比，可以觀察到，經(jīng)過固溶時(shí)效處理的合金中第二相的分布明顯比擠壓態(tài)的要彌散，沒有發(fā)現(xiàn)明顯的偏聚現(xiàn)象，而且時(shí)效8h的合金顯微組織第二相要比時(shí)效12h、16h的少， 起到彌散強(qiáng)化作用的 Al2Cu的過渡相θ和Mg2Si的過渡相β，在金相顯微鏡下是很難觀察到，或者即使觀察到也不是很清晰。因此，可推測(cè)在圖8中觀察的第二相是屬于穩(wěn)定的第二相(它可能是未固溶進(jìn)入基體中的第二相或者是時(shí)效過程中過時(shí)效后的第二相聚集)，它對(duì)基體的強(qiáng)化作用明顯小于亞穩(wěn)相的強(qiáng)化作用。所以，時(shí)效12h和時(shí)效 16h的金相組織中出現(xiàn)了較多的穩(wěn)定的第二相， 與時(shí)效8h的組織相比可以認(rèn)為是進(jìn)入了過時(shí)效階段，硬度開始下降了。

圖8 170℃下不同時(shí)效時(shí)間的金相組織Fig.8 Metallographic structure of different aging time at 170 ℃

在時(shí)效過程中，基體中析出了強(qiáng)化相，而且可以看出強(qiáng)化相是彌散分布。照片中，析出物是θ相(Al2Cu)，數(shù)量極少的是β相(Mg2Si)。這與預(yù)期結(jié)果一致，該合金的主要強(qiáng)化相應(yīng)該是θ相(Al2Cu)，而β(Mg2Si)相處于次要地位。時(shí)效的目的就是要過飽和固溶體在時(shí)效過程中能夠細(xì)小、彌散、均勻的析出θ相(Al2Cu)和β相(Mg2Si)等強(qiáng)化相[4-5]。

4 結(jié)論

本文以擠壓態(tài)A390合金作為研究對(duì)象，利用光學(xué)顯微鏡、金相拋光機(jī)、布氏硬度計(jì)、拉伸試驗(yàn)機(jī)等設(shè)備，系統(tǒng)研究了時(shí)效處理對(duì)A390合金組織、硬度等性能的影響。得出以下結(jié)論：

(1)熱處理后樣品硬度顯著提高，硬度值由擠壓態(tài)的79.1升高到120以上；相同溫度下，隨時(shí)效處理時(shí)間延長，A390合金布氏硬度出現(xiàn)先升高后降低的變化；最佳熱處理工藝是固溶490℃×8h+時(shí)效190℃×8h；

(2)在熱處理工藝固溶490℃×8h+時(shí)效190℃×8h制度下，A390試樣抗拉強(qiáng)度平均為325MPa；拉伸斷口形貌表明，A390過共晶鋁硅合金的室溫拉伸斷裂方式為混合斷裂；

(3)熱處理可以使得A390合金中的初晶硅棱角鈍化，經(jīng)時(shí)效處理過飽和固溶體在時(shí)效過程中能夠細(xì)小、彌散、均勻的析出強(qiáng)化相，促使A390力學(xué)性能提高。