馮紹棠，譚國(guó)寅，陳 越，湯皓元，李 恒

(昆明冶金研究院有限公司，云南 昆明 650031)

ZL108鋁合金為鋁硅銅鎂錳多元鑄造合金，廣泛應(yīng)用于汽車(chē)工業(yè)，是目前常用的一種活塞鋁合金[1-3]。該合金具有低密度、低熱膨脹系數(shù)、高導(dǎo)熱率、良好的耐熱性、良好的鑄造性能、高流動(dòng)性和較高的力學(xué)性能，主要用于鑄造汽車(chē)、拖拉機(jī)的發(fā)動(dòng)機(jī)活塞和其他在250 ℃以下高溫中工作的零件。

ZL108鋁合金為可熱處理強(qiáng)化鋁合金，通過(guò)固溶時(shí)效處理可以提高其力學(xué)性能[4]。由于ZL108鋁合金作為發(fā)動(dòng)機(jī)活塞的結(jié)構(gòu)件使用時(shí)，需要承受較大的沖擊過(guò)載。因此，本文主要研究固溶時(shí)效處理對(duì)ZL108鋁合金組織與性能影響，以期提高其綜合性能，滿(mǎn)足汽車(chē)工業(yè)對(duì)活塞材料的性能要求。

1 試驗(yàn)材料與方法

ZL108鋁合金化學(xué)成分見(jiàn)表1。澆鑄成尺寸為φ25 mm×250 mm的鑄棒后，進(jìn)行固溶時(shí)效處理，具體工藝為：515 ℃×40 min固溶，水淬，175 ℃×10 h時(shí)效[5]。采用萬(wàn)能拉伸試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行力學(xué)性能測(cè)試；采用光學(xué)顯微鏡進(jìn)行顯微組織觀察；采用SEM進(jìn)行能譜分析。

表1 ZL108鋁合金化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 顯微組織

圖1為ZL108鋁合金的金相組織。由圖1可知，ZL108鋁合金鑄態(tài)組織中存在較多的呈長(zhǎng)棒狀或塊狀粗大共晶硅相。這與ZL108鋁合金含有較高的硅含量(11.0～13.0%)密切相關(guān)。隨著鑄造過(guò)程的進(jìn)行，在極高的冷卻速度下，鑄造組織主要為α固溶體、粗大的共晶硅組織和少量塊狀的初晶硅。固溶時(shí)效處理后，粗大的共晶硅相變得細(xì)小，數(shù)量明顯減少，呈短棒狀或者蠕蟲(chóng)狀[6-7]。由于在固溶階段高溫作用下原子的擴(kuò)散增強(qiáng)，大量鑄態(tài)時(shí)產(chǎn)生的亞穩(wěn)相回溶至基體內(nèi)，時(shí)效處理后共晶硅相更為細(xì)小。因此，固溶時(shí)效處理后，粗大亞穩(wěn)相轉(zhuǎn)變?yōu)榉€(wěn)定的細(xì)小沉淀相，有助于材料性能的提升。

(a)鑄態(tài)；(b)時(shí)效態(tài)

圖2為ZL108鋁合金的SEM形貌。由圖2可知，鑄態(tài)ZL108鋁合金中的析出相含有較高的Si、Mn等元素。由于Si、Mn等元素的熔點(diǎn)較高，鑄造過(guò)程中產(chǎn)生了大量呈塊狀分布的難熔共晶硅相，使得合金塑性偏低、脆性增大，降低了合金的拉伸性能。固溶時(shí)效處理后，鑄態(tài)中大部分粗大共晶硅相重熔進(jìn)入基體，轉(zhuǎn)變?yōu)榧?xì)小的析出相，且數(shù)量明顯減少。但這些共晶硅相具有較好的熱穩(wěn)定性，因而在較短的固溶時(shí)間內(nèi)并未充分溶解。

(a)鑄態(tài)；(b)時(shí)效態(tài)

2.2 力學(xué)性能

表2為ZL108鋁合金試樣固溶時(shí)效處理后的力學(xué)性能測(cè)試結(jié)果。由表2可知，固溶時(shí)效處理后，試樣的抗拉強(qiáng)度提高、延伸率降低。由于鑄態(tài)組織中存在粗大的共晶硅相，對(duì)位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的阻礙作用較小，無(wú)法充分釘扎位錯(cuò)。但固溶時(shí)效處理后，粗大亞穩(wěn)相轉(zhuǎn)變?yōu)榉€(wěn)定的細(xì)小沉淀相。這些沉淀相中的硅含量較高，屬于質(zhì)地較脆的硬質(zhì)點(diǎn)；同時(shí)這些沉淀相的分布與鑄態(tài)相比范圍更廣，從而導(dǎo)致合金的抗拉強(qiáng)度顯著提升、塑性略有下降。

表2 拉伸試驗(yàn)結(jié)果

3 結(jié)論

1)ZL108鋁合金鑄態(tài)組織中存在大量長(zhǎng)棒狀或塊狀的共晶硅相；固溶時(shí)效處理后，合金中粗大的共晶硅相數(shù)量減少，且呈短棒狀或者蠕蟲(chóng)狀。

2)鑄態(tài)ZL108鋁合金中呈塊狀分布的析出相含有較高的Si、Mn等元素；固溶時(shí)效處理后，大部分粗大共晶硅相重溶進(jìn)入基體，數(shù)量明顯減少。但因共晶硅相具有較好的熱穩(wěn)定性，在較短的固溶時(shí)間內(nèi)并未充分溶解。

3)固溶時(shí)效處理后，粗大共晶硅相轉(zhuǎn)變?yōu)榉€(wěn)定的細(xì)小沉淀相，分布范圍更廣，提高了合金的抗拉強(qiáng)度，但合金的塑性略有下降。