冷卻速度和熱處理工藝對鑄造Al-Si合金組織性能的影響
賀小龍，楊昭，王光旭，徐雪璇
（中南大學 材料科學與工程學院，湖南 長沙 410083）
摘要：通過電導率測量、金相觀察、掃描電鏡分析等方法，研究了冷卻速度和熱處理工藝對鑄造Al-9.8Si-2Cu合金微觀組織和電性能的影響。研究結果表明：在不同澆鑄溫度、模具溫度下，隨著冷卻速度的提高，凝固組織中的共晶含量增多，二次枝晶臂間距(SDAS)減小，而且初生相的形態也由粗大的樹枝晶逐步向薔薇狀演變；通過520 ℃+5 h的固溶處理和200 ℃+8 h時效處理工藝，長條狀的共晶硅被分解成短棒狀甚至逐漸球化，合金的電導率提升了21.52%。
關鍵詞：Al-Si合金；冷卻速度；電導率；T7熱處理工藝
中圖法分類號：TG146.2 文獻標識碼： A 文章編號：
The effects of cooling rate and heat treatment on microstructure and properties of as-cast Al-Si alloys
HE Xiaolong，YANG Zhao，WANG Guangxu，XU Xuexuan
(School of Materials Science and Engineering, Central South University, Changsha 410083, China)
Abstract：The effects of cooling rate and heat treatment on microstructure and electrical properties of Al-9.8Si-2Cu alloys were investigated by Wheatstone Bridge Conductivity Measurement, Optical Microscope, Scanning Electron Microscope (SEM) Analysis. The results indicated that the eutectic content in the solidification structure was increased and the secondary dendrite arm spacing (SDAS) of the silicon particles was decreased while the cooling rate of casting increased in different pouring temperature, mold temperature, the evolution of primary phase was from coarse dendritic to rosette dendritic. The solution treatment was performed at 535 ℃ for 6 h. The samples were aged at 200 ℃ for 8 h. By heat treatment, the long needles of eutectic silicon particles were broken down into smaller fragments and then gradually spheroidized, so the conductivity with the increment up to 21.52%.
Key words：Al-Si alloys; cooling rate; electrical conductivity; T7 heat treatment
ADC12合金由于優良的鑄造性能，較優的力學性能，且熱膨脹系數小、耐腐蝕性能高，廣泛應用于氣缸蓋罩蓋、傳感器支架、蓋子、缸體類等[1-4]。Si的添加為合金提供了良好的耐磨性，低的熱膨脹系數和高的熱傳遞系數[5]。Cu和Mg的添加在Al-Si系統中通過熱處理促進第二相析出，從而改善力學性能[6]。而在實際鑄造生產中，鑄造工藝和條件都會影響到鑄件的冷卻速度，準確地把握冷卻速度對合金凝固組織及性能的影響，有助于了解同一成分合金在不同冷卻條件下微觀組織及性能的差異所在。
Choi等[7] 討論了冷卻速率和熱處理工藝對Al-Si-Cu-Mg合金力學性能和熱性能的影響，陳忠偉 等[8] 探討了冷卻速率對A357 合金凝固組織的影響，黃龍輝 等[9] 研究了A356合金中共晶含量與冷卻速度之間的定量關系。然而Al-Si基合金的電性能作為汽車發動機零部件的主要評估指數，隨著合金元素含量的增加電性能降低，主要是因為這部分合金元素固溶于晶體內部而不是以第二相的形式析出。
關于鑄造Al-Si合金的熱處理工藝有很多研究，常見的實驗方案是固溶處理時間長達16 h，以期達到顆粒和硅相的球化實現均質化，但是相關研究表明使用更短的固溶處理時間也能達到要求[10,11]。Parker 等[12] 研究表明通過540 ℃+(10 mins-100 h)的固溶處理發現Al-Si-Mg合金共晶硅的球化不到10 mins就完成了，Lumley[13] 表明鑄造鋁合金的熱傳遞特性通過T7熱處理工藝得到了改善。合金的導電性不僅與自身的成分有關, 而且還常常受合金制品加工成型工藝的影響。為此，本課題擬通過研究澆注溫度和模具溫度對Al-Si合金鑄件凝固組織的影響，定量地分析冷卻速度對Al-Si合金鑄件組織中共晶含量和SDAS的影響。同時通過熱處理工藝影響共晶硅形貌、大小以及分布狀況，以期在保證力學性能不降低的同時提高合金的導電性能。
1試驗材料與方法
本實驗采用Al-9.8Si-2.0Cu合金，其主要成分由ICP-AES測得見表1。合金的制備過程如下：將工業純鋁(≥99.7%)，單質Si，Al-50Cu中間合金，Al-3.8B中間合金按照表1的成分配料，在井式電阻爐內的石墨坩堝中進行熔煉，鋁錠加熱到800 ℃后先后加入Si及中間合金，待合金完全熔化后，溫度降至720 ℃，通入氬氣進行除氣、除渣，720 ℃保溫靜置10 min，澆入金屬型型腔，選擇720、640 ℃兩個作為實驗的澆注溫度，以及200、40 ℃兩個作為實驗的模具溫度，進行拉伸試樣的澆注。
表1 Al-9.8Si-2.0Cu合金的化學成分 Table 1 Chemical composition of Al-9.8Si-2.0Cu alloys
|
Nominal Composition |
Si (wt.%) |
Cu
(wt.%) |
B
(wt.%) |
Fe
(wt.%) |
Ti
(ppm) |
Cr
(ppm) |
V
(ppm) |
Mn
(ppm) |
Al |
|
Al-9.8Si-2Cu-0.02B |
9.86 |
2.03 |
0.021 |
0.16 |
41 |
28 |
36 |
30 |
Bal. |
為保證試驗合金之間性能的可比性，除澆注溫度和模具溫度不同外，其余加工工藝均相同。#1合金澆注溫度720 ℃、模具溫度40 ℃，#2合金澆注溫度720 ℃、模具溫度200 ℃，#3合金澆注溫度640 ℃、模具溫度200 ℃，#4合金澆注溫度640 ℃、模具溫度40 ℃。熱處理工藝為520 ℃ + 5 h固溶處理，80 ℃水淬，180 ℃或200 ℃+ (1-10) h時效處理，隨后空冷。在試驗過程中改變時效溫度和時效時間來考察這兩個工藝因素對導電性和顯微硬度的影響，從而選擇最佳熱處理工藝。
通過惠斯通雙橋法，對Al-Si合金試樣進行電導率測試；樣品室溫拉伸測試在MTS 810拉伸試驗機進行，無引伸計，預緊速率為0.2 mm/min，拉伸速率為2 mm/min；通過POUS-PMG3型金相顯微鏡對鑄態試樣組織進行觀察；用Quanta MK2-200環境掃描電鏡進行顯微組織觀察分析。
2試驗結果及討論
2.1顯微組織
合金的金相組織如圖1所示。如圖1(a)所示，在較高的澆注溫度、較低的模具溫度下，組織中的初生α-Al傾向于樹枝晶形態，而且隨著模具溫度的增高，枝晶間距也不斷增大，共晶含量則不斷減少，如圖2(b)所示。這是因為合金澆人鑄型后．模具吸收合金液熱量．其表面溫度瞬間將升高到接近澆注溫度，隨后又向內部擴散熱量．同時也向外傳遞，從而模具內部溫度不斷升高，使得鑄件的冷卻速度不斷減慢，也就是減慢了合金凝固時的冷卻速度，鑄件凝固時間變長，初生α-Al長大時間增加，因此出現部分粗大樹枝晶。在較低的澆注溫度、較低的模具溫度下，初生α-Al相的量較少，晶粒比較細小，主要以薔薇狀形態出現，而且晶粒的輪廓清晰，如圖1(d)所示。這是因為在較高溫度下進行澆注，鑄件將較多熱量傳給金屬型腔，使型腔被加熱到較高溫度，減慢了合金凝固時的冷卻速度，鑄件凝固時間變長，初生α-Al長大時間增加，故容易出現明顯的粗大樹枝晶。而隨澆注溫度降低，試樣傳給型腔的熱量不斷減少，使合金在凝固過程中具有較高的冷卻速度，進而導致初生α-Al長大時間縮短，不易形成發達樹枝晶，而呈現出較多的細小初生α-Al等軸晶。
圖1各試樣的金相組織：(a) #1 (b) #2 (c) #3 (d) #4
Fig.1 Metallographs of various samples: (a) #1 (b) #2 (c) #3 (d) #4
隨著澆注溫度和模具溫度的升高，冷卻速率降低，合金的SDAS逐漸增大而共晶含量呈現不斷減小的趨勢，如圖2所示。隨著冷卻速率降低, SDAS 逐漸增大，這是二次枝晶臂在凝固過程中粗化的結果。隨著冷卻速度繼續減慢，局部凝固時間增長，則合金在固、液兩相區內停留時間越長，枝晶粗化過程進行的越充分，SDAS將變得越大。而組織中的共晶含量呈不斷減少的趨勢，這是由于溶質原子在固相中的反向擴散均質化以及晶粒長大的時間受到限制所導致的。
圖2 不同澆注溫度與模具溫度下各樣品的SDAS與共晶含量的變化
Fig.2 The variation of SDAS and eutectic content of samples in different pouring temperature and mold temperature
2.2熱處理工藝
合金的SEM分析如下圖3所示，圖3(a)和圖3(c)為合金鑄態下的顯微組織，深灰色的基底為Al基體；呈灰白色并以針狀或片狀不規則地分布的為共晶組織中Si相；亮度較亮的白色顆粒狀的為θ(Al2Cu)相。圖6(b)和圖6(d)為經過T7熱處理后合金的掃描組織，大塊灰白色的Si相基本消失，并以粒狀的形態呈彌散狀分布。合金中共晶硅呈現長條狀形貌時會割裂基體，降低電導率。通過T7熱處理工藝，組織中共晶Si相由長條狀變成短棒狀，甚至被破碎球化，導電率明顯上升。
圖3 Al-Si合金的SEM分析：(a) (c) 鑄態; (b) (d) T7熱處理態
Fig.3 SEM images of the Al-Si alloys：(a) (c) as-cast; (b) (d) T7-aged
合金在不同狀態下的電導率和抗拉強度如圖4所示，隨著時效溫度從180 ℃上升到200 ℃，合金的導電率提高了2.95%，但抗拉強度只下降了1.65%。圖5顯示了合金的電導率和顯微硬度隨時效時間的變化曲線，隨著時效時間的增加電導率呈現先快速上升后越來越緩慢而顯微硬度先上升達到峰值之后呈現急劇下降。根據圖5(b)我們選取最佳熱處理時效工藝為200 ℃+8 h的T7熱處理工藝。熱處理后的試樣顯微組織中的兩大變化被認為是促進性能提升的主要原因：一是在人工時效后第二相粒子的析出消除基體內的溶質和空位，也就是說消除了阻礙電子運動缺陷；另一個是由于固溶處理后顯微組織的變化即：球化、共晶硅顆粒細化。因為第二相顆粒的大小和分布對合金的電導率影響很大，當合金在200 ℃人工時效中，合金的導電性能更佳。晶粒內形成的彌散的共晶硅顆粒是在人工時效過程中消除溶質的最大固溶度形成的，這些都被認為有助于導電性能的提高。
圖4 Al-Si合金在鑄態、180℃和200℃時效下的電導率和抗拉強度
Fig.4 The electrical conductivity and tensile strength of Al-Si alloy in as cast, 180 ℃ and 200 ℃ of aging treatment
圖5 時效工藝曲線：(a)180℃人工時效電導率和顯微硬度隨時效時間的變化曲線，(b) 200℃人工時效電導率和顯微硬度隨時效時間的變化曲線
Fig.5 Aging treatment curve: (a) electrical conductivity and micro-hardness variation with aging time after 180℃ of artificial aging treatment, (b) electrical conductivity and micro-hardness variation with aging time after 200℃ of artificial aging treatment
在時效溫度較低時(如180 ℃)，過飽和固溶溶質原子的擴散慢，析出及聚集長大的速度慢，主要形成一些與基體共格的溶質原子的聚集區(G·P 區)或中間過渡相[14, 15]。一方面，溶質原子析出，固溶強化減弱，基體產生回復與再結晶，合金強度下降，導電性能提高；另一方面，由于與基體成共格關系的G·P 區或中間過渡相的存在，引起基體晶格的畸變，導致強度上升，電導率亦隨之降低。而當時效溫度較高時(如200 ℃)，G·P區可以完成從中間相到平衡沉淀相的過渡，與基體的共格關系遭到破壞，沉淀相周圍的基體已不再存在較大的畸變，合金導電性能得到較為明顯的改善。
3結論
3.1共晶硅的微觀形貌主要受模具溫度和澆注溫度的影響，在較高的澆注溫度下，合金的組織主要為樹枝晶，隨著澆注溫度的降低，鑄件組織逐漸由較為粗大的樹枝晶轉變成相對細小的薔薇狀枝晶，且SDAS變小。隨著金屬模具溫度的升高，鑄件組織中的共晶含量減少。
3. 2通過T7熱處理工藝，共晶硅由長條狀向短棒狀轉變，甚至球化彌散均勻的分布。與鑄態合金相比，適當的提高時效溫度可以有效的改善導電性能，且電導率提高了21.52%。
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