鑄造鋁合金Al6Si4Cu0.25Mg的制備與熱處理工藝

楊 婷，余正平，李小麗，羅 君，鄧發(fā)權(quán)

(貴州理工學(xué)院材料與冶金工程學(xué)院，貴州 貴陽 550003)

0 引言

鑄造鋁合金的制備非常的簡單，鑄造鋁合金是用熔融金屬液填充鑄型型腔，凝固形成的毛坯鋁合金。鑄造鋁合金擁有低的密度，比強(qiáng)度高，耐蝕性好，鑄造工藝性能良好，受零件結(jié)構(gòu)設(shè)計限制小等優(yōu)點(diǎn)，由于這些優(yōu)良的性能使得鑄造鋁合金具有廣闊的應(yīng)用前景。而經(jīng)過熱處理后的鑄造鋁合金性能更加優(yōu)異，針對不同的需求設(shè)計不同的熱處理參數(shù)從而會得到所需要的性能。

1 實(shí)驗(yàn)過程

整個實(shí)驗(yàn)分為四個步驟：(1)合金設(shè)計(按照合金成分算出所需合金原料的質(zhì)量)；(2)熔煉制備；(3)熱處理工藝，即固溶處理和時效處理；(4)金相組織觀察和力學(xué)性能(硬度測試)。研究內(nèi)容：主要對Al6Si4Cu0.5Mg合金經(jīng)過固溶(500℃/10 h)之后，時效處理(160℃、180℃、200℃分別時效1、2、4、8、16、24、36 h)；分析時效溫度和時間對合金組織和顯微硬度的影響，(1、4、16+2、8、24+36 h)9個樣，21實(shí)驗(yàn)條件。最后對在不同條件下的鑄鋁進(jìn)行金相組織觀察和硬度測試。

1.1 合金設(shè)計

本次實(shí)驗(yàn)所給出的原料有：高純鋁，Al-50Cu合金，Al-50Si合金，高純鎂，Al-20Ce；元素?zé)龘p率：Mg都按照15%的燒損率來配料，其他不變。設(shè)計鑄錠總質(zhì)量900 g。元素稱量保證質(zhì)量誤差在±2%。按照表1中給出的合金成分計算出所需稱量的原料的質(zhì)量。其所需的各原料質(zhì)量如表2所示。

表1 合金成分(wt%，質(zhì)量百分?jǐn)?shù))

表2 所需合金原料質(zhì)量(g)

1.2 合金熔煉

(1)將熔煉爐和熔煉工具清理干凈并預(yù)熱至200-300℃，涂上涂料，然后烘干；

(2)將熔煉制備過程中需要的精煉變質(zhì)劑、覆蓋劑、精煉劑按照所需量分別稱量好，在200-300℃下烘干，以便后續(xù)使用。

(3)熔煉：首先在之前稱量好的原料中將小塊狀工業(yè)純鋁鋪于熔煉坩堝底部，之后依次放入Al-50Cu、A1-50Si、A1-50Zr合金，最上面放剩下的純鋁塊覆蓋，放入熔煉爐內(nèi)，然后設(shè)置750℃的熔煉溫度，在此溫度下熔煉大約1小時后就會全部熔化。用坩堝夾將熔煉坩堝取出，進(jìn)行攪拌；放入ZSAB2鍶鹽變質(zhì)劑；用鐘罩壓入鋁箔包的Mg，并攪拌均勻，在表面撒上覆蓋劑(ZSAJ101A)繼續(xù)放入爐中保溫2 min，取出后采用鐘罩將精煉劑壓入鋁液，順時針方向攪拌，然后澆注入模具中成型。其熔煉工藝圖如圖1所示。

圖1 熔煉工藝

實(shí)驗(yàn)中，將得到的鋁合金坯錠用切割機(jī)切成9個邊長為15 mm的正方體小坯錠，以便后續(xù)實(shí)驗(yàn)使用。因?yàn)橥昏T件在不同的部位有厚度的差異也會導(dǎo)致凝固組織和性能的不同[1-2]，故切割時盡量在同一部位，以保證組織和性能的一致性。

1.3 熱處理工藝

對鑄造鋁合金進(jìn)行熱處理提高了其力學(xué)性能和使用性能。鋁合金的強(qiáng)化熱處理工藝主要是淬火或淬火加人工時效，即固溶時效強(qiáng)化。固溶處理要求是溫度高，時間長，使合金元素在鑄造的過程中擴(kuò)散，完全溶解，從而使形成的平衡β相從溶解相轉(zhuǎn)變?yōu)殇X基體[3]。溶解度越大，固溶強(qiáng)化效果越大。故熱處理方法為將試樣置于箱式爐中在500℃時固溶處理10個小時，同時固溶處理時可能會有內(nèi)應(yīng)力、畸變和試樣淬火開裂的產(chǎn)生，故鋁合金在強(qiáng)化后冷卻時應(yīng)該采用水淬以減少上述情況的發(fā)生。其固溶處理工藝參數(shù)如表3所示。其固溶工藝圖如圖2所示。

圖2 固溶工藝

表3 固溶處理工藝參數(shù)

1.4 時效處理

時效處理是指金屬或合金在固溶處理、高溫淬火或冷加工變形后，在一定的溫度或室溫下保溫，其形狀和尺寸不變，而性能隨時間變化的熱處理過程。本次實(shí)驗(yàn)中時效處理溫度分為160℃、180℃、200℃三個溫度范圍，在這三個溫度下分別進(jìn)行1 h、2 h、4 h、8 h、16 h、24 h、36 h七個時間段的時效處理，鑄錠切割成為9個樣，并分別標(biāo)注1～9號，程中4、5、6號樣時效溫度為160℃，1、2、3號樣時效溫度為180℃， 7、8、9號樣時效溫度為200℃，每一個溫度都要時效1 h、2 h、4 h、8 h、16 h、24 h、36 h，在實(shí)驗(yàn)開始時記錄樣品編號、放樣時間和取出樣品時間，在時效過程中要隨時注意觀察保溫箱的溫度，不要混淆樣品編號和所對應(yīng)的溫度。

1.5 金相組織觀察和力學(xué)性能變化

(1)金相組織觀察

在固溶時效處理之后對鑄造鋁金Al-6Si-4Cu-0.5Mg進(jìn)行金相磨制，每個時效溫度所對應(yīng)不同的時間段的鑄鋁都要磨金相，并對其組織拍照留作分析。在金相研磨過程中，砂紙的選擇由粗至細(xì)。當(dāng)樣品上劃痕都在同一個方向時就可以使用拋光機(jī)拋去金相表面的劃痕，然后用氫氟酸溶液進(jìn)行腐蝕。需要注意的是，因?yàn)殇X合金比較軟，所以在磨的過程中要控制好力度，以減少砂粒的嵌入，減輕樣品表面損傷層的厚度。

(2)力學(xué)性能變化

將固溶時效處理后的鑄鋁Al-6Si-4Cu-0.5Mg進(jìn)行硬度測試，每個時效溫度所對應(yīng)不同的時間段的鑄鋁都要用維氏硬度測試硬度，并且每一個試樣要測11次硬度，將這11次硬度都記錄下來，去掉一個最大值和一個最小值，求其平均值并記錄下來。不同的時效溫度所對應(yīng)的不同時間段的平均硬度值如表4所示。

表4 平均硬度值(HV)

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 金相組織變化

在不同的時效溫度對應(yīng)不同的時效時間，金相組織發(fā)生變化。當(dāng)時效的時間差距很大時其組織有明顯變化。當(dāng)時效溫度相同且均為160℃而時間為1 h和24 h時的組織如圖3，4所示。當(dāng)時間相同均為36 h而溫度不同時的組織如圖5，6，7。當(dāng)溫度相同且均為200℃而時間為1 h和24 h時的組織如圖8，9所示。

圖4 50×10倍160℃-24 h

圖5 50×10倍160℃-36 h

圖6 50×10倍180℃-36 h

圖7 50×10倍200℃-36 h

圖8 50×10倍200℃-1 h

2.2 力學(xué)性能變化

根據(jù)數(shù)據(jù)表明：(1)Al-6Si-4Cu-0.5Mg合金隨著時效時間的升高，硬度值增大，160℃和180℃下時效36 h可以達(dá)到合金的硬度最大值，而200℃時，硬度值在時效2 h達(dá)到最大硬度值107.34 HV。(2)當(dāng)時效溫度相同時失效時間越長硬度越高。(3)在整個時效過程中時效180℃/36 h時硬度達(dá)到120.47 HV，是最大硬度值，在200℃時效時間24 h時硬度最低，為107.34 HV。(4)當(dāng)時效時間相同而時效溫度升高時硬度概括地講是隨之增大的。

根據(jù)時效處理后的平均硬度值(如表4所示)，用Origin軟件處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，得到平均硬度值隨時效溫度和時間的變化曲線，可以清晰地反映出實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的變化趨勢，如圖10是平均硬度隨溫度-時間變化的Origin變化曲線。

圖10 硬度隨溫度-時間變化的變化圖

2.3 影響時效的因素

(1)從淬火到人工時效之間停留時間的影響。鋁合金淬火后立即失效比停留時間稍長時強(qiáng)度增高，但塑性反之。

(2)合金化學(xué)成分的影響。合金元素能不能在固溶體中溶解決定了合金的時效強(qiáng)化，固溶度的大小隨著溫度的變化而變化。而熱處理過程中有溶解度和固相轉(zhuǎn)變，所以合金化學(xué)成分對熱處理強(qiáng)化有一定的影響。

(3)固溶處理工藝的影響。良好的時效強(qiáng)化效果就是在得到最大過飽和度的均勻固溶體的同時不產(chǎn)生過熱、過燒和晶粒長大，這需要較高的淬火加熱溫度和長的保溫時間，而且在淬火和冷卻過程中不析出第二相，否則，析出相在隨后的時效處理中會起作用，導(dǎo)致局部不均勻析出，降低了時效強(qiáng)化效果。所以固溶處理工藝的設(shè)計很重要，需要制定合適的工藝參數(shù)才能使這種情況大大減少或不發(fā)生。

3 結(jié)語

鑄造鋁合金具有良好的力學(xué)性能、耐腐蝕性能，好的加工鑄造性能等。而熱處理后的鑄造鋁合金性能更好，強(qiáng)化效果比較明顯，韌性也有所改善，而這幾年我們國家對鋁合金的需求是日益增長的，可以看出鑄造鋁合金在未來具有廣闊的應(yīng)用前景。