A356 合金鑄造余溫?zé)崽幚砉に嚨难芯?/h1>
2021-06-03 09:31:02劉淑琪楊凱雯鐘魯寧靖雨嬌朱文龍
中國鑄造裝備與技術(shù) 2021年3期
劉淑琪，楊凱雯，鐘魯寧，靖雨嬌，周 煜，朱文龍
（江蘇省宿遷學(xué)院 材料工程系，江蘇宿遷 223800）
A356 合金是一種典型的Al-Si-Mg 系三元合金，具有優(yōu)秀綜合性能的鑄造鋁合金。它不僅具有很好的鑄造性能（流動性好、線收縮小、無熱裂傾向，氣密性好），同時比重小，耐蝕性良好，通過熱處理可達到較高的強度、良好的塑性和高沖擊韌性，因此成為了汽車、摩托車鑄造鋁輪轂的首選材料[1-5]。A356 合金的Si 元素的成分范圍約為6.5%～7.5%，通過對Al-Si 二元相圖的分析可知合金中含有近半體積分?jǐn)?shù)的共晶組織。共晶組織中的硅相在鑄造條件下會以粗大的不規(guī)則針狀存在，且分布不均勻，如若不改善其形態(tài)及分布，將降低合金的韌性，并不利于合金的機械切削性能。
通常對A356 合金在較高溫度下固溶處理，不僅可以改善其共晶硅組織的形態(tài)及分布進而提升合金的韌性，另外利用Si 原子在α-Al 中過飽和的溶解也可以起到一定的固溶強化作用。但是傳統(tǒng)的熱處理工藝往往需要在鑄件冷卻后再次加熱至固溶處理溫度，隨后快速冷卻，兩次降溫的過程不僅耗時而且耗能[6]。本文研究利用鑄造余溫進行固溶處理的工藝，以求在一次降溫過程中實現(xiàn)鑄造和熱處理工藝的一體化[7-10]，并獲得較為理想的組織和性能。
1 試驗材料與方法
試驗采用的合金為商用A356 合金，其成分含量見表1。
表1 A356 鋁合金的化學(xué)成分 w/%
試樣在石墨坩堝中經(jīng)實驗用井式爐加熱至650℃，加入0.5%的C2Cl6 進行精煉，靜置10min后澆注至鋼制模具中，隨后分三組進行：（1）在鋼模中待合金凝固，利用工業(yè)用紅外測溫儀測到鑄件表面溫度為540℃時迅速取出淬入水中，即未經(jīng)保溫鑄造余溫固溶處理；（2）在鋼模中待合金凝固，測得表面溫度為540℃時再次放入爐溫為540℃的箱式爐中，保溫4h，即保溫4h 鑄造余溫固溶處理；（3）在鋼模中冷卻至室溫，然后再次加熱至540℃，保溫4h，即常規(guī)固溶處理。三種熱處理工藝見圖1 所示。
圖1 三種固溶處理工藝圖
2 試驗結(jié)果及討論
2.1 鑄造余溫固溶處理對合金組織及硬度的影響
圖2 為兩種鑄造余溫固溶處理條件下A356合金的光學(xué)顯微組織圖像，兩種固溶處理溫度均為540℃，其中一種為未經(jīng)保溫鑄造余溫固溶處理，另一種為保溫4h 鑄造余溫固溶處理。合金的基體為α-Al 組織，在α-Al 基體的晶界處存在共晶組織。
從圖2 可見，相對于鑄態(tài)組織，未經(jīng)保溫鑄造余溫固溶處理的合金組織中，共晶硅形態(tài)從不規(guī)則的針狀轉(zhuǎn)變?yōu)榱睿医M織細(xì)小，這是因為鑄件凝固后在水冷的強冷卻作用下抑制了共晶硅的小平面生長機制導(dǎo)致的。而經(jīng)過4h 的保溫后的合金組織中，共晶硅雖然球化較好（圖2e），但顆粒亦發(fā)生奧斯瓦爾德熟化而明顯粗化。對合金的硬度測試顯示，鑄態(tài)的硬度為HRB30，而未經(jīng)保溫鑄造余溫固溶處理的硬度為HRB39，經(jīng)過4h 的保溫后的合金硬度為HRB42。硬度值的提升表明，經(jīng)固溶處理后，合金元素的充分溶入是提升A356 合金硬度的有效途徑。
圖2 A356 合金的鑄態(tài)及鑄造余溫固溶處理后的組織
2.2 鑄造余溫固溶處理與常規(guī)固溶處理比較
鑄件在鋼模中冷卻至室溫，然后再次加熱至540℃，保溫4h 即常規(guī)固溶處理，其組織如圖3 所示。
圖3 A356 合金常規(guī)固溶處理的組織
經(jīng)過540℃固溶處理4h，室溫下在水中淬火，發(fā)現(xiàn)相比鑄態(tài)組織，合金組織中共晶硅相發(fā)生了明顯的粗化和長大，這與保溫4h 鑄造余溫固溶處理的結(jié)果比較接近，只是其顆粒長大程度更高，整體上不如保溫4h 鑄造余溫固溶處理的合金組織。對合金的硬度測試，常規(guī)固溶處理的合金硬度為HRB37?？紤]到兩次升溫過程更多的工序和能源消耗，保溫4h 鑄造余溫固溶處理的工藝優(yōu)越性明顯。
3 結(jié)論
（1）未經(jīng)保溫的鑄造余溫固溶處理可以一定程度上細(xì)化共晶硅組織，且有一定硬度提升。
（2）保溫4h 的鑄造余溫固溶處理合金組織及硬度測試均優(yōu)于常規(guī)固溶處理，且工序簡單，具有一定的工藝優(yōu)勢。
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通常對A356 合金在較高溫度下固溶處理，不僅可以改善其共晶硅組織的形態(tài)及分布進而提升合金的韌性，另外利用Si 原子在α-Al 中過飽和的溶解也可以起到一定的固溶強化作用。但是傳統(tǒng)的熱處理工藝往往需要在鑄件冷卻后再次加熱至固溶處理溫度，隨后快速冷卻，兩次降溫的過程不僅耗時而且耗能[6]。本文研究利用鑄造余溫進行固溶處理的工藝，以求在一次降溫過程中實現(xiàn)鑄造和熱處理工藝的一體化[7-10]，并獲得較為理想的組織和性能。
1 試驗材料與方法
試驗采用的合金為商用A356 合金，其成分含量見表1。
表1 A356 鋁合金的化學(xué)成分 w/%
試樣在石墨坩堝中經(jīng)實驗用井式爐加熱至650℃，加入0.5%的C2Cl6 進行精煉，靜置10min后澆注至鋼制模具中，隨后分三組進行：（1）在鋼模中待合金凝固，利用工業(yè)用紅外測溫儀測到鑄件表面溫度為540℃時迅速取出淬入水中，即未經(jīng)保溫鑄造余溫固溶處理；（2）在鋼模中待合金凝固，測得表面溫度為540℃時再次放入爐溫為540℃的箱式爐中，保溫4h，即保溫4h 鑄造余溫固溶處理；（3）在鋼模中冷卻至室溫，然后再次加熱至540℃，保溫4h，即常規(guī)固溶處理。三種熱處理工藝見圖1 所示。
圖1 三種固溶處理工藝圖
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圖2 為兩種鑄造余溫固溶處理條件下A356合金的光學(xué)顯微組織圖像，兩種固溶處理溫度均為540℃，其中一種為未經(jīng)保溫鑄造余溫固溶處理，另一種為保溫4h 鑄造余溫固溶處理。合金的基體為α-Al 組織，在α-Al 基體的晶界處存在共晶組織。
從圖2 可見，相對于鑄態(tài)組織，未經(jīng)保溫鑄造余溫固溶處理的合金組織中，共晶硅形態(tài)從不規(guī)則的針狀轉(zhuǎn)變?yōu)榱睿医M織細(xì)小，這是因為鑄件凝固后在水冷的強冷卻作用下抑制了共晶硅的小平面生長機制導(dǎo)致的。而經(jīng)過4h 的保溫后的合金組織中，共晶硅雖然球化較好（圖2e），但顆粒亦發(fā)生奧斯瓦爾德熟化而明顯粗化。對合金的硬度測試顯示，鑄態(tài)的硬度為HRB30，而未經(jīng)保溫鑄造余溫固溶處理的硬度為HRB39，經(jīng)過4h 的保溫后的合金硬度為HRB42。硬度值的提升表明，經(jīng)固溶處理后，合金元素的充分溶入是提升A356 合金硬度的有效途徑。
圖2 A356 合金的鑄態(tài)及鑄造余溫固溶處理后的組織
2.2 鑄造余溫固溶處理與常規(guī)固溶處理比較
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圖3 A356 合金常規(guī)固溶處理的組織
經(jīng)過540℃固溶處理4h，室溫下在水中淬火，發(fā)現(xiàn)相比鑄態(tài)組織，合金組織中共晶硅相發(fā)生了明顯的粗化和長大，這與保溫4h 鑄造余溫固溶處理的結(jié)果比較接近，只是其顆粒長大程度更高，整體上不如保溫4h 鑄造余溫固溶處理的合金組織。對合金的硬度測試，常規(guī)固溶處理的合金硬度為HRB37?？紤]到兩次升溫過程更多的工序和能源消耗，保溫4h 鑄造余溫固溶處理的工藝優(yōu)越性明顯。
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