退火溫度對(duì)形變鋁硅合金組織和性能的影響

張 超 謝國鋒 徐玉松

（1.江蘇科技大學(xué) 冶金工程學(xué)院，張家港 215600；2.江蘇廣川超導(dǎo)科技有限公司，張家港 215600；3.江蘇科技大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，鎮(zhèn)江 212100）

鋁硅合金是應(yīng)用較為廣泛的鑄造鋁合金之一，具有較高的強(qiáng)度、良好的鑄造性能及耐磨耐蝕等特點(diǎn)，在汽車輕量化制造過程中常常替代鑄鐵件[1-2]。然而，鋁硅合金中的初生硅和共晶硅屬于脆性相，會(huì)降低材料的塑性成形能力。但是改善微觀組織形態(tài)，能夠使鋁硅合金具有一定的塑性變形能力[3-4]。形變后的鋁硅合金在高溫服役時(shí)，如渦輪增壓汽油發(fā)動(dòng)機(jī)缸蓋內(nèi)最高工作溫度接近300 ℃甚至更高[5]，其組織和性能穩(wěn)定性尚不清楚。因此，有必要對(duì)形變鋁硅合金開展進(jìn)一步研究。

1 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)用鋁硅合金在坩堝熔煉爐中進(jìn)行熔煉，熔煉溫度為750 ℃。待Al-20wt%Si合金完全熔化后，加入工業(yè)純鋁將Si質(zhì)量分?jǐn)?shù)降低至11%。在熔池上方通入干燥氬氣進(jìn)行脫氣處理，脫氣時(shí)間15 min，隨后將熔液倒入砂型模具。凝固后的鑄錠尺寸為120 mm×120 mm×50 mm。采用線切割截取Φ40 mm×50 mm圓柱形試樣若干，將試樣表面打磨平整后放置于液壓機(jī)上進(jìn)行壓縮試驗(yàn)，壓縮變形量分別為30%和70%。將壓縮后試樣分別放入360 ℃、380 ℃、400 ℃、420 ℃和440 ℃下退火處理1 h后空冷。采用偏光顯微鏡、布氏硬度計(jì)及掃描電子顯微鏡對(duì)材料微觀形貌及性能進(jìn)行表征。

2 結(jié)果與分析

2.1 鑄態(tài)組織形貌

將鑄態(tài)試樣打磨拋光，用質(zhì)量分?jǐn)?shù)1%的氫氟酸溶液對(duì)試樣進(jìn)行腐蝕，組織形貌如圖1所示?？梢钥闯?，鑄態(tài)鋁硅合金在非平衡凝固條件下，基體組織主要由鋁硅共晶組織組成。共晶硅形態(tài)呈板條狀，平均寬度約為3 μm，長(zhǎng)度約為130 μm，未明顯觀察到大塊狀初晶硅。

圖1 試樣鑄態(tài)組織形貌

2.2 30%冷變形試樣

圖2為30%冷變形試樣組織形貌。經(jīng)過30%壓縮冷變形后，基體組織沿某一方向發(fā)生塑性變形，但形變程度較低，基體中共晶硅形態(tài)未發(fā)生明顯變化。這表明30%壓縮變形和退火處理未顯著改變基體組織。

圖2 30%冷變形試樣組織形貌

試樣經(jīng)30%壓縮變形后，硬度為49.2 HB，不同溫度退火后材料的布氏硬度值如圖3所示。隨退火溫度升高，材料硬度逐漸降低，從360 ℃的48.3 HB降低至440 ℃的44.5 HB，下降幅度較小。在30%冷變形下，基體組織與鑄態(tài)保持一致，熱處理后組織形貌沒有發(fā)生顯著變化，因此硬度下降不明顯。這是由于當(dāng)變形量小于臨界變形量時(shí)，材料內(nèi)部畸變能較小，不足以發(fā)生再結(jié)晶，440 ℃退火1 h后鋁硅合金仍處于回復(fù)階段。

圖3 30%冷變形試樣硬度變化曲線

2.3 70%冷變形試樣

圖4為70%壓縮變形后鋁硅合金的微觀組織形貌，可以看出基體組織發(fā)生了明顯的塑性形變，共晶硅尺寸較30%壓縮變形顯著細(xì)化，板片狀共晶硅消失，變?yōu)榧?xì)小的顆粒狀。

圖4 70%冷變形試樣組織形貌

圖5為70%冷變形試樣的硬度數(shù)據(jù)圖。由圖5可以看出，試樣硬度從360 ℃的65.9 HB下降至380 ℃的65 HB過程中，材料硬度并未發(fā)生太大變化，仍處于回復(fù)階段；當(dāng)退火溫度升高至400 ℃，試樣硬度迅速下降至45.3 HB，其原因是材料發(fā)生再結(jié)晶導(dǎo)致材料硬度下降明顯，通過新晶粒的形核及長(zhǎng)大，以無畸變的等軸晶粒取代之前變形的晶粒；退火溫度高于400 ℃，再結(jié)晶組織發(fā)生粗化，材料硬度進(jìn)一步下降，但降低速率與再結(jié)晶階段相比要小得多。

圖5 70%冷變形試樣硬度變化曲線

在對(duì)鑄件的擠壓變形過程中，由于應(yīng)力的擠壓和剪切作用，使鑄造過程中形成的粗針狀共晶硅相發(fā)生斷裂而被打碎，從而獲得彌散的顆粒狀組織。然而，在退火處理過程中，由于高溫作用，受鋁硅合金體系自由能降低的驅(qū)使，共晶硅容易發(fā)生熔斷和顆?；?。隨著退火溫度的升高，共晶硅的顆?；M(jìn)程隨之加快，能夠最大限度地減小表面積和表面能，使體系達(dá)到更穩(wěn)定的狀態(tài)。但是，30%冷壓縮變形鋁硅合金中共晶硅的顆粒化現(xiàn)象并不明顯，表明共晶硅形態(tài)的轉(zhuǎn)變還與冷變形量有關(guān)。70%形變?cè)嚇訜崽幚砗螅簿Ч柙诨w中的分布由聚集狀態(tài)慢慢分散，呈現(xiàn)出均勻化特征，基體組織經(jīng)歷了回復(fù)→再結(jié)晶→晶粒長(zhǎng)大的過程。

2.4 微區(qū)成分分析

圖6（a）為30%冷變形試樣的組織形貌及微區(qū)成分圖，可以看出30%冷變形未能對(duì)共晶硅起到細(xì)化作用，共晶硅仍保留板條狀形態(tài)。微區(qū)成分顯示基體由鋁和硅組成[圖6（a）中框線區(qū)域]，兩種元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為85.7%和14.3%，接近共晶成分，表明試樣成分較為均勻。圖6（b）是經(jīng)過70%冷變形后試樣的掃描電鏡圖像，圖中共晶硅形態(tài)發(fā)生了明顯的細(xì)化現(xiàn)象，使得材料組織均勻且彌散。

圖6 掃描電鏡圖像

框線區(qū)域面掃描結(jié)果顯示，鋁和硅元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為8.1%和92.9%，說明該區(qū)域即為共晶硅組織。塑性變形對(duì)鋁硅合金力學(xué)性能和微觀組織的影響可以通過改善共晶硅的形態(tài)來進(jìn)行調(diào)整。由于粗大的硅相會(huì)嚴(yán)重割裂基體，降低合金的強(qiáng)度和塑性，因此改變硅相形態(tài)，減小其對(duì)基體性能的削弱作用，是提高鋁硅合金性能的有效途徑[6]。

3 結(jié)論

（1）鑄態(tài)鋁硅合金在非平衡凝固條件下，基體組織主要由共晶組織組成。共晶硅形態(tài)呈板條狀，平均寬度約 3 μm，長(zhǎng)度約 130 μm。

（2）30%冷壓縮變形及退火處理后，鋁硅合金組織形貌未發(fā)生顯著變化，共晶硅形態(tài)保持板條狀。在360～440 ℃范圍內(nèi)，材料硬度從48.3 HB降低至44.5 HB，處于回復(fù)階段。

（3）70%冷壓縮變形及退火處理后，鋁硅合金組織形貌發(fā)生顯著變化，粗大的板條狀共晶硅消失，形態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榧?xì)小顆粒狀，獲得彌散的顆粒狀組織。在360～380 ℃范圍內(nèi)，鋁硅合金處于回復(fù)階段；在380～400 ℃范圍內(nèi)，試樣硬度迅速下降至45.3 HB，材料出現(xiàn)再結(jié)晶現(xiàn)象；當(dāng)退火溫度高于400 ℃，再結(jié)晶組織長(zhǎng)大并粗化，材料硬度進(jìn)一步降低。