原标题：冷却速率与 T6 热处理对铸造铝合金组织和性能的影响

摘要

研究了不同冷却速度下铸态与热处理后的铝合金微观组织和力学性能。结果表明：经过热处理后的铝合金组织中针状共晶硅转变为圆滑棒状，而冷却速度小的铝合金组织中硅颗粒尺寸变小；冷却速率对铝合金常温力学性能和耐腐蚀性影响不明显，而T6热处理可显著提高铝合金的常温、高温力学与耐腐蚀性能；常温拉伸试样的断口由基体中的微孔洞、撕裂棱和二次裂纹组成，随着测试温度从25 ℃提高到300 ℃，断裂特征由混合断裂转变为韧性断裂，带有韧窝和撕裂棱的微孔洞增加，二次裂纹减少。

铝基铸造合金质量轻、铸造性好，通过热处理和机械处理可提高力学性能，其在汽车、航空、造船和军事工程等行业的应用日益广泛。特别是铝硅镁铜合金，被广泛应用于汽车发动机零部件，如活塞、缸体、发动机缸体等。随着环境和经济等方面对轻量化要求的不断提高，汽车发动机零件中铝、硅、镁、铜合金的物理性能应得到改善。因此，人们对提高Al-Si-Mg-Cu铸造合金的力学性能进行了大量研究，例如Mattos等研究了柴油机气缸盖用Al-Si-Mg铸造合金的疲劳性能和断裂微观机制；Mohamed等建立了Al-Si-Mg-Cu铸造合金的组织、拉伸性能和断裂行为的关系模型；王乐采用固溶+深冷+时效处理，提高了铝合金的综合力学性能；Mrowka-Nowotnik特别研究了时效参数对C355合金力学性能的影响，在150 ℃时效时，硬度随着时效时间的增加而持续增加，而在220 ℃时效时，硬度达到时效峰后（低于150 ℃时的硬度）开始下降。在实际生产应用过程中，模具温度即冷却速度以及零部件在高温下的力学性能对铸造零部件的性能起着重要的作用。因此，本文研究了模具温度与热处理对铸造铝合金组织和性能的影响，并对高温下铝合金的性能进行了分析。

01 试验材料及方法

铝合金熔炼原材料包括高纯铝、Al-Cu中间合金、Al-Si中间合金以及Mg-Al中间合金等，按照试验预定的合金成分进行配比称重后，在铝合金井式电阻炉中进行熔炼，在750 ℃的氮化硼涂层石墨坩埚中熔化，用Al-5Ti-1B精炼剂进行晶粒细化，熔化的金属依次搅拌并静置30 min，以确保完全溶解。合金用氩气脱气5 min，然后倒入钢制模具中进行铸造（试验过程中分批进行，其中钢制模具采用不同的温度为：25 ℃、200 ℃）。经过熔炼后的合金成分采用光谱仪进行测量，结果如表1所示。共浇注4批铝合金，标记为1#-4#试样。对应模具浇注温度及合金状态如表2所示。

表1 铝合金成分 wB/%

表2 铝合金试样

拉伸试验在万能拉伸试验机上进行，常温拉伸按照GB/T 228.1—2010标准执行，高温拉伸按照GB/T 4338—2006标准执行，拉伸试棒直径为10 mm。金相试验采用金相电子显微镜进行，断口扫描采用日式S-4800型场发射扫描电镜进行分析。

电化学腐蚀测试进行电化学工作站的三电极系统：测试的样本作为工作电极、铂丝电极与饱和甘汞参比电极。所有的电化学测量都在3.5wt% NaCl水溶液中进行，扫描速率为2 mV/s，从-1.8 V到-1.0 V。

02 试验结果与分析

2.1 显微组织分析

图1所示为铝合金金相组织图。图1a、b为铸态铝合金，析出的二次共晶硅相为针状，而经过T6热处理的铝合金（图1c、d）由于热处理使得共晶硅发生球化，成为圆滑的短棒状。比较图1a、b可以发现，1#试样铸态组织中硅颗粒的尺寸要远远小于2#试样，这是由于模具温度的降低提高了铝硅合金的形核速率，共晶Si相形状和尺寸减小；而经过T6热处理后，通过对比图1a、c可以看出，模具温度为25 ℃时经过热处理后硅颗粒的尺寸增加了，而对比图1b、d可以看出模具温度为200 ℃时，经过热处理后组织中的硅颗粒的尺寸减小了。经过热处理后图1c、d中硅颗粒的尺寸几乎相同，这是由于热处理使得组织更均匀化。

图1 铝合金金相组织图

综上所述，较高的冷却速率下（模具温度为25 ℃），Al-Si-Cu-Mg合金经过了T6热处理，硅原子发生了快速扩散，共晶Si逐渐球化，但由于小硅颗粒扩散到共晶硅中，硅颗粒的平均尺寸增大。在模具温度为200 ℃时，硅元素有足够的时间扩散到共晶硅中，因此硅粒子的数量没有明显变化。而在铸态铝硅合金中，共晶硅颗粒的形态对力学性能起着重要作用。

2.2 力学性能分析

2.2.1 室温力学性能

通过拉伸试验研究了模具温度和热处理对合金力学性能的影响，拉伸试验结果如图2所示。在铸态试样中，1#试样由于模具温度为25℃，其抗拉强度与屈服强度比2#试样高，而伸长率比2#低0.15%。而经过热处理后的3#试样与4#试样的抗拉强度与屈服强度较铸态试样有明显提高，而伸长率略有降低。热处理后的3#试样与4#试样的三个力学性能的差距不大，这是由于经过热处理后，3#试样与4#试样共晶硅颗粒形状和大小趋于一致，所以在力学性能上也趋于一致。

图2 铝合金室温力学性能

2.2.2 高温力学性能

图3所示为模具温度为200 ℃下铸态与热处理后2#、4#试样不同温度力学性能。从图3a可以看出，随着温度的升高，2#、4#试样的抗拉强度逐渐降低；2#试样的屈服强度在三个温度下差别不明显，在200 ℃时略有上升。4#试样屈服强度随着温度的升高而降低；2#试样伸长率随着温度的升高先降低后升高，在300 ℃时可以达到4.5%，而热处理后4#试样随着试验温度的升高而增加，最高达4.8%。

图3 铸态与热处理后试样不同温度力学性能

图4为铝合金断口形貌，从图中可以看出，室温下图4a、c显示了相似的断裂行为，断口由基体中的微孔洞、撕裂棱和二次裂纹组成。从断口形貌来看，随着测试温度从25 ℃提高到300 ℃，断裂特征由混合断裂转变为韧性断裂，带有韧窝和撕裂棱的微孔洞增加，二次裂纹减少。这表明基体软化，合金强度降低，但延性增加。当温度升至300 ℃时，基体比室温时软得多。与此同时，局部塑性变形产生了孔洞，并使孔洞膨胀。

图4 铝合金断口形貌图

2.3 电化学结果及分析

图5为各个试样的极化曲线，从图5中可以看出，热处理后的试样整体要比热处理前耐腐蚀性能要好。热处理前，模具温度较低的25 ℃，试样耐腐蚀性较好；而经过热处理后模具温度为200 ℃时，试样耐腐蚀性最好，说明热处理有助于提高耐腐蚀性能，而25 ℃下经过热处理后的铸造铝合金材料性能是最好的，这与铝合金的力学性能趋势基本保持一致。

图5 不同试样极化曲线

03 结论

（1）模具温度为25 ℃的铝合金组织中硅颗粒尺寸经过热处理后变大，模具温度为200 ℃的尺寸变小。

（2）模具温度由20 ℃升到200 ℃，冷却速率降低，铝合金的抗拉强度和屈服强度略有降低，伸长率略有升高；而经过T6热处理后，三项力学性能提高较为明显。

（3）随着拉伸试验温度的升高，冷却速率较低的铸态和热处理后的铝合金试样的抗拉强度和屈服强度均有明显的下降，而伸长率先降低后升高。

（4）铝合金试样拉伸断口均由基体中的微孔洞、撕裂棱和二次裂纹组成，高温拉伸试样的断裂特征由混合断裂转变为韧性断裂。

（5）热处理前，模具温度低的铝合金试样耐腐蚀性能好。热处理后，模具温度高的铝合金试样耐腐蚀性好。

作者

王玮1，张艳涛2，孙巧妍1，姚彤辉1

1.烟台南山学院

2.龙口市丛林铝材有限公司

本文转载自：铸造杂志