A356 合金鑄造余溫?zé)崽幚砉に嚨难芯?/h1>
2021-06-03 09:31:02劉淑琪楊凱雯鐘魯寧靖雨嬌朱文龍
中國鑄造裝備與技術(shù) 2021年3期
劉淑琪，楊凱雯，鐘魯寧，靖雨嬌，周 煜，朱文龍
（江蘇省宿遷學(xué)院 材料工程系，江蘇宿遷 223800）
A356 合金是一種典型的Al-Si-Mg 系三元合金，具有優(yōu)秀綜合性能的鑄造鋁合金。它不僅具有很好的鑄造性能（流動性好、線收縮小、無熱裂傾向，氣密性好），同時比重小，耐蝕性良好，通過熱處理可達(dá)到較高的強(qiáng)度、良好的塑性和高沖擊韌性，因此成為了汽車、摩托車鑄造鋁輪轂的首選材料[1-5]。A356 合金的Si 元素的成分范圍約為6.5%～7.5%，通過對Al-Si 二元相圖的分析可知合金中含有近半體積分?jǐn)?shù)的共晶組織。共晶組織中的硅相在鑄造條件下會以粗大的不規(guī)則針狀存在，且分布不均勻，如若不改善其形態(tài)及分布，將降低合金的韌性，并不利于合金的機(jī)械切削性能。
通常對A356 合金在較高溫度下固溶處理，不僅可以改善其共晶硅組織的形態(tài)及分布進(jìn)而提升合金的韌性，另外利用Si 原子在α-Al 中過飽和的溶解也可以起到一定的固溶強(qiáng)化作用。但是傳統(tǒng)的熱處理工藝往往需要在鑄件冷卻后再次加熱至固溶處理溫度，隨后快速冷卻，兩次降溫的過程不僅耗時而且耗能[6]。本文研究利用鑄造余溫進(jìn)行固溶處理的工藝，以求在一次降溫過程中實現(xiàn)鑄造和熱處理工藝的一體化[7-10]，并獲得較為理想的組織和性能。
1 試驗材料與方法
試驗采用的合金為商用A356 合金，其成分含量見表1。
表1 A356 鋁合金的化學(xué)成分 w/%
試樣在石墨坩堝中經(jīng)實驗用井式爐加熱至650℃，加入0.5%的C2Cl6 進(jìn)行精煉，靜置10min后澆注至鋼制模具中，隨后分三組進(jìn)行：（1）在鋼模中待合金凝固，利用工業(yè)用紅外測溫儀測到鑄件表面溫度為540℃時迅速取出淬入水中，即未經(jīng)保溫鑄造余溫固溶處理；（2）在鋼模中待合金凝固，測得表面溫度為540℃時再次放入爐溫為540℃的箱式爐中，保溫4h，即保溫4h 鑄造余溫固溶處理；（3）在鋼模中冷卻至室溫，然后再次加熱至540℃，保溫4h，即常規(guī)固溶處理。三種熱處理工藝見圖1 所示。
圖1 三種固溶處理工藝圖
2 試驗結(jié)果及討論
2.1 鑄造余溫固溶處理對合金組織及硬度的影響
圖2 為兩種鑄造余溫固溶處理條件下A356合金的光學(xué)顯微組織圖像，兩種固溶處理溫度均為540℃，其中一種為未經(jīng)保溫鑄造余溫固溶處理，另一種為保溫4h 鑄造余溫固溶處理。合金的基體為α-Al 組織，在α-Al 基體的晶界處存在共晶組織。
從圖2 可見，相對于鑄態(tài)組織，未經(jīng)保溫鑄造余溫固溶處理的合金組織中，共晶硅形態(tài)從不規(guī)則的針狀轉(zhuǎn)變?yōu)榱?，且組織細(xì)小，這是因為鑄件凝固后在水冷的強(qiáng)冷卻作用下抑制了共晶硅的小平面生長機(jī)制導(dǎo)致的。而經(jīng)過4h 的保溫后的合金組織中，共晶硅雖然球化較好（圖2e），但顆粒亦發(fā)生奧斯瓦爾德熟化而明顯粗化。對合金的硬度測試顯示，鑄態(tài)的硬度為HRB30，而未經(jīng)保溫鑄造余溫固溶處理的硬度為HRB39，經(jīng)過4h 的保溫后的合金硬度為HRB42。硬度值的提升表明，經(jīng)固溶處理后，合金元素的充分溶入是提升A356 合金硬度的有效途徑。
圖2 A356 合金的鑄態(tài)及鑄造余溫固溶處理后的組織
2.2 鑄造余溫固溶處理與常規(guī)固溶處理比較
鑄件在鋼模中冷卻至室溫，然后再次加熱至540℃，保溫4h 即常規(guī)固溶處理，其組織如圖3 所示。
圖3 A356 合金常規(guī)固溶處理的組織
經(jīng)過540℃固溶處理4h，室溫下在水中淬火，發(fā)現(xiàn)相比鑄態(tài)組織，合金組織中共晶硅相發(fā)生了明顯的粗化和長大，這與保溫4h 鑄造余溫固溶處理的結(jié)果比較接近，只是其顆粒長大程度更高，整體上不如保溫4h 鑄造余溫固溶處理的合金組織。對合金的硬度測試，常規(guī)固溶處理的合金硬度為HRB37?？紤]到兩次升溫過程更多的工序和能源消耗，保溫4h 鑄造余溫固溶處理的工藝優(yōu)越性明顯。
3 結(jié)論
（1）未經(jīng)保溫的鑄造余溫固溶處理可以一定程度上細(xì)化共晶硅組織，且有一定硬度提升。
（2）保溫4h 的鑄造余溫固溶處理合金組織及硬度測試均優(yōu)于常規(guī)固溶處理，且工序簡單，具有一定的工藝優(yōu)勢。
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通常對A356 合金在較高溫度下固溶處理，不僅可以改善其共晶硅組織的形態(tài)及分布進(jìn)而提升合金的韌性，另外利用Si 原子在α-Al 中過飽和的溶解也可以起到一定的固溶強(qiáng)化作用。但是傳統(tǒng)的熱處理工藝往往需要在鑄件冷卻后再次加熱至固溶處理溫度，隨后快速冷卻，兩次降溫的過程不僅耗時而且耗能[6]。本文研究利用鑄造余溫進(jìn)行固溶處理的工藝，以求在一次降溫過程中實現(xiàn)鑄造和熱處理工藝的一體化[7-10]，并獲得較為理想的組織和性能。
1 試驗材料與方法
試驗采用的合金為商用A356 合金，其成分含量見表1。
表1 A356 鋁合金的化學(xué)成分 w/%
試樣在石墨坩堝中經(jīng)實驗用井式爐加熱至650℃，加入0.5%的C2Cl6 進(jìn)行精煉，靜置10min后澆注至鋼制模具中，隨后分三組進(jìn)行：（1）在鋼模中待合金凝固，利用工業(yè)用紅外測溫儀測到鑄件表面溫度為540℃時迅速取出淬入水中，即未經(jīng)保溫鑄造余溫固溶處理；（2）在鋼模中待合金凝固，測得表面溫度為540℃時再次放入爐溫為540℃的箱式爐中，保溫4h，即保溫4h 鑄造余溫固溶處理；（3）在鋼模中冷卻至室溫，然后再次加熱至540℃，保溫4h，即常規(guī)固溶處理。三種熱處理工藝見圖1 所示。
圖1 三種固溶處理工藝圖
2 試驗結(jié)果及討論
2.1 鑄造余溫固溶處理對合金組織及硬度的影響
圖2 為兩種鑄造余溫固溶處理條件下A356合金的光學(xué)顯微組織圖像，兩種固溶處理溫度均為540℃，其中一種為未經(jīng)保溫鑄造余溫固溶處理，另一種為保溫4h 鑄造余溫固溶處理。合金的基體為α-Al 組織，在α-Al 基體的晶界處存在共晶組織。
從圖2 可見，相對于鑄態(tài)組織，未經(jīng)保溫鑄造余溫固溶處理的合金組織中，共晶硅形態(tài)從不規(guī)則的針狀轉(zhuǎn)變?yōu)榱?，且組織細(xì)小，這是因為鑄件凝固后在水冷的強(qiáng)冷卻作用下抑制了共晶硅的小平面生長機(jī)制導(dǎo)致的。而經(jīng)過4h 的保溫后的合金組織中，共晶硅雖然球化較好（圖2e），但顆粒亦發(fā)生奧斯瓦爾德熟化而明顯粗化。對合金的硬度測試顯示，鑄態(tài)的硬度為HRB30，而未經(jīng)保溫鑄造余溫固溶處理的硬度為HRB39，經(jīng)過4h 的保溫后的合金硬度為HRB42。硬度值的提升表明，經(jīng)固溶處理后，合金元素的充分溶入是提升A356 合金硬度的有效途徑。
圖2 A356 合金的鑄態(tài)及鑄造余溫固溶處理后的組織
2.2 鑄造余溫固溶處理與常規(guī)固溶處理比較
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圖3 A356 合金常規(guī)固溶處理的組織
經(jīng)過540℃固溶處理4h，室溫下在水中淬火，發(fā)現(xiàn)相比鑄態(tài)組織，合金組織中共晶硅相發(fā)生了明顯的粗化和長大，這與保溫4h 鑄造余溫固溶處理的結(jié)果比較接近，只是其顆粒長大程度更高，整體上不如保溫4h 鑄造余溫固溶處理的合金組織。對合金的硬度測試，常規(guī)固溶處理的合金硬度為HRB37?？紤]到兩次升溫過程更多的工序和能源消耗，保溫4h 鑄造余溫固溶處理的工藝優(yōu)越性明顯。
3 結(jié)論
（1）未經(jīng)保溫的鑄造余溫固溶處理可以一定程度上細(xì)化共晶硅組織，且有一定硬度提升。
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