不同鍛壓條件對(duì)建筑焊接用ADC12鋁合金顯微組織的影響

收稿日期：20240228

基金項(xiàng)目：陜西省教育科學(xué)“十四五”規(guī)劃2023年度課題立項(xiàng)項(xiàng)目（編號(hào)：SGH23Y2999）。

作者簡(jiǎn)介：李陽(yáng)，主要從事建筑工程方面的研究。

摘 要：探討了建筑焊接用近共晶AlSi合金ADC12在變化的鍛造條件下其微觀結(jié)構(gòu)的變化。在實(shí)驗(yàn)中，使用收斂型模具對(duì)ADC12合金在300， 400， 500℃三種不同加工溫度下進(jìn)行鍛造，鍛造比例分別為1.5和2.0。通過(guò)X射線衍射（XRD）技術(shù)分析了合金中第二相的變化，利用光學(xué)顯微鏡觀察了鍛造過(guò)程中形成的顯微組織特性。XRD衍射數(shù)據(jù)揭示：除鋁基體外，ADC12合金主要的相組成為Si， βAl 4.5FeSi和Al 2Cu。在鍛造過(guò)程中，細(xì)小的析出相顆粒沉淀促使ADC12合金的顯微組織得到了顯著的細(xì)化，同時(shí)，粗大的顆粒在鍛造時(shí)也發(fā)生了破裂和碎裂。這項(xiàng)研究為深入了解和分析ADC12合金在實(shí)際鍛造生產(chǎn)中的微觀結(jié)構(gòu)變化提供了理論支撐。

關(guān)鍵詞：建筑工業(yè)；ADC12鋁合金；溫度；鍛壓比；顯微組織

中圖分類號(hào)：TG146." TG316

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

Microstructure analysis of ADC12 aluminum alloy under different forging conditions

LI Yang， WANG Yanling

（Xi’an Gaoke Curtain Wall Doors and Windows Co.， Ltd.， Xi’an S 710119， Shaanxi， China）

Abstract： In this study， the microstructural changes of ADC1" a near eutectic AlSi alloy for architectural welding， were investigated in depth under varying forging conditions. In the experiments， the ADC12 alloy was forged using a converging die at three different processing temperatures， 300，400，500℃， with forging ratios of 1.5 and 2.0， respectively.The changes in the precipitated phases in the alloy were analysed by X-ray diffraction （XRD） techniques， and the microstructural properties of the microstructures formed during the forging process were observed using an optical microscope. The experimental results were observed and analysed in detail in order to understand the interaction between the different treatment parameters more comprehensively.The XRD diffraction data revealed that a variety of complex intermetallic phases， such as βAl 4.5FeSi and Al 2Cu， were generated in ADC12 alloy under the high temperature of casting.The precipitation of fine precipitation phases in the forging process contributed to the significant microstructure refinement of ADC12 alloy. microstructure to be significantly refined， while the coarse particles were ruptured and fragmented during forging. This study provides an important theoretical support for understanding and analysing the microstructural changes of ADC12 alloy in the actual production of forging.

Key words： construction industry； ADC12 aluminum alloy； temperature； forging ratio； microstructure

0 引 言

近共晶AlSi合金以其卓越的摩擦阻力和力學(xué)特性而廣泛應(yīng)用于眾多工業(yè)領(lǐng)域。此外，這種合金因具有低密度、良好的耐腐蝕性和低熱膨脹系數(shù)而備受推崇^［1］。在建筑行業(yè)，ADC12近共晶合金已得到廣泛應(yīng)用^［2］。建筑行業(yè)中使用的鋁合金部件大多通過(guò)傳統(tǒng)鑄造工藝生產(chǎn)，然而，鑄造缺陷，如氣孔、收縮和空氣困擾等，依然是一個(gè)顯著問(wèn)題^［3］。在ADC12合金的傳統(tǒng)鑄造過(guò)程中，枝晶結(jié)構(gòu)和液態(tài)偏析的出現(xiàn)導(dǎo)致了產(chǎn)品力學(xué)性能的不均勻性^［4］。由于ADC12合金的力學(xué)特性受到合金元素分布的影響，采用多種技術(shù)以消除鑄造缺陷、提高合金性能變得尤為必要^［5］。建筑部件在波動(dòng)或重復(fù)負(fù)荷條件下，需要承受嚴(yán)重摩擦或磨損，因此、必須具備足夠的強(qiáng)度和耐磨性以防止失效^［6］。鍛壓技術(shù)作為一種流行的成型工藝，可以在開(kāi)放或封閉模具中制造出復(fù)雜的建筑部件^［7］，是可以制造具有優(yōu)異力學(xué)性能ADC12合金零部件的方法之一^［8］。然而，硬質(zhì)硅顆粒的存在使得ADC12合金的變形加工面臨挑戰(zhàn)，即使在高溫加工時(shí)，表面裂紋或斷裂也可能在加工產(chǎn)品表面出現(xiàn)^［9］。加工參數(shù)如模具狀況、變形速率和鍛壓溫度等，對(duì)最終結(jié)果有重大影響^［10］。因此，為了得到無(wú)缺陷且具有卓越力學(xué)性能的產(chǎn)品，選擇合理的加工參數(shù)顯得尤為關(guān)鍵^［11］。本研究致力于探索近共晶AlSi合金（ADC12）應(yīng)用鍛壓技術(shù)的可能性并獲得可用于焊接的零部件。研究使用圓柱形坯料，在不同的鍛壓比和溫度下進(jìn)行鍛壓實(shí)驗(yàn)，并分析了不同參數(shù)對(duì)ADC12合金顯微組織特性的影響，以期為該合金的實(shí)際應(yīng)用提供堅(jiān)實(shí)的理論依據(jù)。

1 試驗(yàn)材料與方法

在此實(shí)驗(yàn)中，使用了兩種不同鍛壓比R的模具進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，其R值分別定為1.5和2.0。實(shí)驗(yàn)所用柱塞由H13模具鋼制成。實(shí)驗(yàn)選用的材料為ADC12近共晶鋁合金，其通過(guò)將高純度商用鋁、Al20Si中間合金和Al50Cu中間合金混合制成。在750℃的石墨坩堝內(nèi)熔化此合金，并添加了適量的AlSi10進(jìn)行變質(zhì)處理。鑄造時(shí)，加入六氯乙烷（C 2Cl 6）作為脫氣劑，使其與熔融金屬混合，以清除內(nèi)部雜質(zhì)氣體。熔融合金在約700℃時(shí)被倒入預(yù)先加熱至大約200℃的銅模具中進(jìn)行凝固。凝固后的鑄錠從模具中取出，先后用細(xì)砂紙打磨和丙酮清洗。采用Foundry Master光譜儀對(duì)合金的化學(xué)成分進(jìn)行分析，結(jié)果展示在表1中。利用Rigaku X射線衍射儀（XRD）來(lái)鑒定ADC12合金中的相，同時(shí)使用國(guó)際衍射數(shù)據(jù)中心（ICDD）的PDF數(shù)據(jù)庫(kù)來(lái)識(shí)別XRD測(cè)量結(jié)果中的衍射峰。本研究旨在探討不同鍛壓比 R 對(duì)ADC12合金微觀組織特性的影響。為此，制備了兩組實(shí)心圓柱狀A(yù)DC12合金鑄錠作為試驗(yàn)樣品，其尺寸詳見(jiàn)表2。使用高速氣動(dòng)動(dòng)力錘，提供至少700kg·m的沖擊能量，進(jìn)行鍛壓實(shí)驗(yàn)。所用熱模鍛壓機(jī)的詳細(xì)配置見(jiàn)圖1。實(shí)驗(yàn)中，樣品在鍛壓模具內(nèi)分別以1.5和2.0的鍛壓比R進(jìn)行處理，鍛壓溫度設(shè)置為300，400，500℃。為確保合金成分均勻，樣品需在預(yù)定工作溫度下在爐中預(yù)熱約1h。在鍛壓過(guò)程中，選用細(xì)顆粒石墨粉作潤(rùn)滑劑。鍛壓完成后，將試樣從模具中取出，并采集其顯微組織樣本以分析ADC12合金的晶粒及第二相形態(tài)。樣品經(jīng)過(guò)標(biāo)準(zhǔn)金相處理，使用80～2000#砂紙和含油的金剛石懸浮液進(jìn)行拋光。為分析樣品的微觀結(jié)構(gòu)，使用凱勒試劑進(jìn)行腐蝕處理。最終，借助ZEISS光學(xué)顯微鏡，對(duì)拋光后的樣品中心區(qū)域的微觀結(jié)構(gòu)特征進(jìn)行了詳細(xì)表征。

2 結(jié)果及討論

2.1 XRD分析結(jié)果與鑄態(tài)顯微組織

圖2展示了ADC12合金的XRD分析結(jié)果。在XRD圖譜中，Al和Si相呈現(xiàn)出高強(qiáng)度衍射峰，表明這些相的晶體結(jié)構(gòu)。此外，圖譜中亦觀察到數(shù)個(gè)強(qiáng)度較低的衍射峰，這些峰已確定為βAl 4.5FeSi和Al 2Cu這兩種金屬間化合物相。

圖3所揭示的鑄態(tài)ADC12合金的光學(xué)顯微結(jié)構(gòu)圖中，觀察到了顯著的αAl枝晶結(jié)構(gòu)、共晶硅的針狀形態(tài)，以及少量初生Si顆粒的存在。通常，共晶組織主要由αAl和共晶Si顆粒組成，而ADC12近共晶鋁合金有初生Si相的" 存在表明凝固速率較快，說(shuō)明其在凝固過(guò)程中出現(xiàn)了向過(guò)共晶反應(yīng)偏移而產(chǎn)生的非平衡凝固現(xiàn)象。在ADC12合金的顯微結(jié)構(gòu)中，Si顆粒以深色呈現(xiàn)，與之形成對(duì)比的是較淺且明亮的金屬間化合物顆粒。這些第二相在αAl基體內(nèi)呈現(xiàn)出不規(guī)則的形狀和非均勻的分布。鑄造過(guò)程中的凝固不均勻性導(dǎo)致了Si和金屬間化合物顆粒的粗大化現(xiàn)象。據(jù)測(cè)量，共晶Si相的平均長(zhǎng)度約為33.5μm，標(biāo)準(zhǔn)偏差為±9.3μm；而初生Si顆粒的平均長(zhǎng)度和標(biāo)準(zhǔn)偏差分別約為32.4μm和±8.5μm。這種微觀結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)對(duì)ADC12合金的力學(xué)與摩擦學(xué)性能有潛在的負(fù)面影響。因此，為了優(yōu)化合金的力學(xué)性能，有必要對(duì)這些粗糙和針狀的Si顆粒進(jìn)行細(xì)化處理，以實(shí)現(xiàn)更加優(yōu)異的結(jié)構(gòu)特性。

2.2 不同鍛壓條件下ADC12合金顯微組織

如圖4與圖5所示，展現(xiàn)了ADC12合金試樣在經(jīng)歷不同鍛壓處理?xiàng)l件下的光學(xué)顯微結(jié)構(gòu)變化。觀察兩幅圖像可以明顯發(fā)現(xiàn)，ADC12合金在鑄造后接受鍛壓處理，不論在何種處理?xiàng)l件下，其微觀結(jié)構(gòu)特征均顯現(xiàn)出明顯的細(xì)化現(xiàn)象?？紤]到該合金結(jié)構(gòu)由較軟的αAl基體和較硬的顆粒（包括Si顆粒與金屬間化合物）構(gòu)成，這種結(jié)構(gòu)賦予了材料一定程度的脆性?；诖耍瑸榱藘?yōu)化鍛壓效果，實(shí)驗(yàn)中選擇了在特定鍛壓溫度下進(jìn)行爐內(nèi)預(yù)熱處理，隨后在相對(duì)較高的溫度條件下進(jìn)行鍛壓操作。

ADC12合金經(jīng)過(guò)鍛壓處理后，合金基體中的第二相顆粒呈現(xiàn)較為細(xì)小的特征，而相比之下，原始鑄造狀態(tài)下的合金則包含了尺寸較大的顆粒，這些顆粒在預(yù)熱過(guò)程中保持了穩(wěn)定性，未觀察到顯著的變化。當(dāng)進(jìn)入高速鍛壓階段，坯料經(jīng)受了極大的軸向載荷，導(dǎo)致在向下方向上產(chǎn)生了顯著的軸向應(yīng)力，并對(duì)模具壁施加了相應(yīng)的正向壓力（圖6）。因此，合金在收斂區(qū)域開(kāi)始流動(dòng)，并伴隨著變形的發(fā)生。在這一過(guò)程中，模具壁與正在變形的材料之間的摩擦作用非常顯著，從而產(chǎn)生了大量的熱量，使得合金發(fā)生了軟化。在鍛壓過(guò)程中，αAl基體在軟化后經(jīng)歷了塑性變形。然而，硬質(zhì)的Si顆粒以及其他第二相顆粒在面對(duì)較高的軸向應(yīng)力時(shí)，不能維持其完整性，于是在鍛壓過(guò)程中發(fā)生了斷裂和破碎，并在基體中得到了均勻分散。結(jié)果，原先較粗大的脆硬顆粒被轉(zhuǎn)化為了更細(xì)小的顆粒，并在合金基體中實(shí)現(xiàn)了均勻分布。表3詳細(xì)列出了不同處理?xiàng)l件下，鍛壓試樣中共晶Si和初生Si顆粒的平均長(zhǎng)度的變化情況。

經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)觀察，與鑄態(tài)對(duì)比，經(jīng)過(guò)鍛造處理的ADC12合金的微觀結(jié)構(gòu)在不同鍛造比例下均出現(xiàn)明顯的細(xì)化現(xiàn)象。這一變化主要源于鍛造過(guò)程中，金屬顆粒經(jīng)歷斷裂與碎裂，進(jìn)而轉(zhuǎn)變?yōu)槌叽绺〉牧Ｗ?，這些粒子在αAl基體內(nèi)部實(shí)現(xiàn)了均勻分布。特別地，當(dāng)鍛造比達(dá)R=2.0時(shí)，由于截面減少較多（51%），展示出來(lái)的顆粒尺寸尤為微小。表3中的數(shù)據(jù)顯示，在400℃的處理溫度下，微觀結(jié)構(gòu)的細(xì)化效果最為突出，其次是300℃。這是因?yàn)樵?00℃的鍛造溫度下，沉淀的速率加快。同時(shí)，在該溫度下進(jìn)行的鍛造，共晶Si顆粒和初生Si顆粒的細(xì)化作用也更加顯著，形成了質(zhì)量更高的細(xì)化微觀組織，如圖4（b）所示。相較之下，在500℃的鍛造溫度下進(jìn)行處理，會(huì)引起微觀組織的粗糙化現(xiàn)象（圖5），這是因?yàn)樵诟叩腻懺鞙囟龋?00℃）下，合金元素的擴(kuò)散速度提升，導(dǎo)致初生及共晶Si顆粒的生長(zhǎng)，進(jìn)而引發(fā)了Si顆粒的粗大化。

3 結(jié) 論

（1） 鑄造ADC12合金的微觀組織主要由粗大的αAl樹(shù)枝狀結(jié)構(gòu)、針狀共晶Si以及少量的初生Si顆粒組成。這些特征是由于較快的冷卻速度引起的，導(dǎo)致了初生Si顆粒的形成。在鍛壓過(guò)程中，Si顆粒和第二相顆粒發(fā)生了斷裂和碎裂，從而使合金的微觀組織得到了顯著的細(xì)化。

（2） 在擠壓比 R=2.0 的鍛壓模具中，Si顆粒顯示出更小的尺寸。特別是在 R=2.0 的條件下，截面擠壓比達(dá)到了51%，相對(duì)于擠壓比 R=1.5， 這種差異在晶粒細(xì)化方面更為明顯。

（3） 400℃的處理溫度相對(duì)于300℃可以獲得更顯著的微觀組織細(xì)化效果。這是因?yàn)樵?00℃的鍛壓溫度下，合金元素的擴(kuò)散速率更高，導(dǎo)致Si顆粒和初生Si顆粒更為細(xì)小。然而，鍛壓溫度升至500℃時(shí)，合金元素的擴(kuò)散速率增加，導(dǎo)致Si顆粒呈現(xiàn)出增大的趨勢(shì)，從而使顯微組織粗化。

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