固溶時效處理對ZL108鋁合金組織和性能的影響

馮紹棠，譚國寅，陳 越，湯皓元，李 恒

(昆明冶金研究院有限公司，云南 昆明 650031)

ZL108鋁合金為鋁硅銅鎂錳多元鑄造合金，廣泛應(yīng)用于汽車工業(yè)，是目前常用的一種活塞鋁合金[1-3]。該合金具有低密度、低熱膨脹系數(shù)、高導(dǎo)熱率、良好的耐熱性、良好的鑄造性能、高流動性和較高的力學(xué)性能，主要用于鑄造汽車、拖拉機的發(fā)動機活塞和其他在250 ℃以下高溫中工作的零件。

ZL108鋁合金為可熱處理強化鋁合金，通過固溶時效處理可以提高其力學(xué)性能[4]。由于ZL108鋁合金作為發(fā)動機活塞的結(jié)構(gòu)件使用時，需要承受較大的沖擊過載。因此，本文主要研究固溶時效處理對ZL108鋁合金組織與性能影響，以期提高其綜合性能，滿足汽車工業(yè)對活塞材料的性能要求。

1 試驗材料與方法

ZL108鋁合金化學(xué)成分見表1。澆鑄成尺寸為φ25 mm×250 mm的鑄棒后，進行固溶時效處理，具體工藝為：515 ℃×40 min固溶，水淬，175 ℃×10 h時效[5]。采用萬能拉伸試驗機進行力學(xué)性能測試；采用光學(xué)顯微鏡進行顯微組織觀察；采用SEM進行能譜分析。

表1 ZL108鋁合金化學(xué)成分(質(zhì)量分數(shù)，%)

2 試驗結(jié)果與討論

2.1 顯微組織

圖1為ZL108鋁合金的金相組織。由圖1可知，ZL108鋁合金鑄態(tài)組織中存在較多的呈長棒狀或塊狀粗大共晶硅相。這與ZL108鋁合金含有較高的硅含量(11.0～13.0%)密切相關(guān)。隨著鑄造過程的進行，在極高的冷卻速度下，鑄造組織主要為α固溶體、粗大的共晶硅組織和少量塊狀的初晶硅。固溶時效處理后，粗大的共晶硅相變得細小，數(shù)量明顯減少，呈短棒狀或者蠕蟲狀[6-7]。由于在固溶階段高溫作用下原子的擴散增強，大量鑄態(tài)時產(chǎn)生的亞穩(wěn)相回溶至基體內(nèi)，時效處理后共晶硅相更為細小。因此，固溶時效處理后，粗大亞穩(wěn)相轉(zhuǎn)變?yōu)榉€(wěn)定的細小沉淀相，有助于材料性能的提升。

(a)鑄態(tài)；(b)時效態(tài)

圖2為ZL108鋁合金的SEM形貌。由圖2可知，鑄態(tài)ZL108鋁合金中的析出相含有較高的Si、Mn等元素。由于Si、Mn等元素的熔點較高，鑄造過程中產(chǎn)生了大量呈塊狀分布的難熔共晶硅相，使得合金塑性偏低、脆性增大，降低了合金的拉伸性能。固溶時效處理后，鑄態(tài)中大部分粗大共晶硅相重熔進入基體，轉(zhuǎn)變?yōu)榧毿〉奈龀鱿?，且?shù)量明顯減少。但這些共晶硅相具有較好的熱穩(wěn)定性，因而在較短的固溶時間內(nèi)并未充分溶解。

(a)鑄態(tài)；(b)時效態(tài)

2.2 力學(xué)性能

表2為ZL108鋁合金試樣固溶時效處理后的力學(xué)性能測試結(jié)果。由表2可知，固溶時效處理后，試樣的抗拉強度提高、延伸率降低。由于鑄態(tài)組織中存在粗大的共晶硅相，對位錯運動產(chǎn)生的阻礙作用較小，無法充分釘扎位錯。但固溶時效處理后，粗大亞穩(wěn)相轉(zhuǎn)變?yōu)榉€(wěn)定的細小沉淀相。這些沉淀相中的硅含量較高，屬于質(zhì)地較脆的硬質(zhì)點；同時這些沉淀相的分布與鑄態(tài)相比范圍更廣，從而導(dǎo)致合金的抗拉強度顯著提升、塑性略有下降。

表2 拉伸試驗結(jié)果

3 結(jié)論

1)ZL108鋁合金鑄態(tài)組織中存在大量長棒狀或塊狀的共晶硅相；固溶時效處理后，合金中粗大的共晶硅相數(shù)量減少，且呈短棒狀或者蠕蟲狀。

2)鑄態(tài)ZL108鋁合金中呈塊狀分布的析出相含有較高的Si、Mn等元素；固溶時效處理后，大部分粗大共晶硅相重溶進入基體，數(shù)量明顯減少。但因共晶硅相具有較好的熱穩(wěn)定性，在較短的固溶時間內(nèi)并未充分溶解。

3)固溶時效處理后，粗大共晶硅相轉(zhuǎn)變?yōu)榉€(wěn)定的細小沉淀相，分布范圍更廣，提高了合金的抗拉強度，但合金的塑性略有下降。