6666铸造Al_Si_Cu_Mg合金最佳热处理工艺的研究

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?收稿日期:2006-04-06收到初稿,2006-07-20收到修订稿。

作者简介:李润霞(1972-),女,甘肃秦安人,副教授,主要研究方向为铸造Al-Si合金的固态相变。电话:024-25691310,E-mail:runxiali@163.com

摘要:通过对高强度铸造Al-Si-Cu-Mg合金热处理工艺参数的研究发现:合金的硬度随着固溶温度的提高逐渐增大,

且达到硬度峰值的时间逐渐缩短,但高于525℃固溶处理时,反而下降;一定温度以上时效处理时,合金的时效曲线

上出现了双硬度峰,且第一个峰大于第二个峰。随着合金时效温度的升高,合金的硬化速度加快,但硬化能力下降。通过热处理工艺参数的正交实验发现,时效温度对合金强度的影响最为显著,而对合金伸长率影响最为显著的是固溶

温度。综合考虑各因素中不同水平的优劣,确定Al-Si-Cu-Mg合金的最佳热处理工艺为:525℃×

12h+175℃×6h。关键词:铸造Al-Si-Cu-Mg合金;固溶处理;时效硬化;力学性能

中图分类号:TG146.2文献标识码:A文章编号:1001-4977(2006)10-1015-05

LIRun-xia,LIChen-xi,LIRong-de

(InstituteofMaterialScienceandEngineering,ShenyangUniversityofTechnology,Shenyang

110023,Liaoning,China)Abstract:ThispaperhasstudiedtheheattreatmentparametersofhighstrengthAl-Si-Cu-Mgcastingalloy.Itisfoundthathardnessofthealloyincreasesandthetimeofpeakhardnessdecreaseswiththetemperatureincreaseofsolutiontreatment,buthardnessdecreaseswhensolutiontemperatureexceedscertaintemperature.Therearedoubleagingpeaksduringagingwhentreatedhigherthancertaintemperatureandthefirstoneislargerthantheother.Withtheincreaseofagingtemperaturethespeedofaginghardeningincreasesbutthehardeningabilityofalloydecreases.TheresultsoforthogonalexperimentshowthattheoptimizationheattreatmentprocessforhighstrengthAl-Si-Cu-Mgcastingalloyshouldbe525℃×12h+175℃×6h.

Keywords:castAl-Si-Cu-Mgalloy;solutiontreatment;agehardening;mechanicalproperty铸造Al-Si-Cu-Mg 合金最佳热处理工艺的研究

OptimizationofHeatTreatmentParametersofAl-Si-Cu-Mg

CastingAlloy

铸造Al-Si合金具有高强度、低热膨胀系数、良好的铸造性能及耐磨性,广泛应用于制造活塞、汽缸体、汽缸盖和曲轴箱等铸件[1-3]。铸造Al-Si-Cu-Mg合金是在Al-Si合金中添加Cu和Mg元素,经热处理获得高的强度。随着现代工业的发展,特别是对产品轻量化和高强化的要求不断提高,对具有优良综合性能的该类合金需要量越来越大[4]。多年来,人们对该类合金的化学成分和铸造工艺参数对材料性能的影响已经进行了广泛而深入的研究。但在过去的几十年里,对铸造铝合金热处理工艺理论方面的研究工作尚显得比较薄弱[2]。随着汽车、航空工业的迅速发展,人们追求高强度重量比的材料的欲望越来越强烈,从而也充分意识到了热处理也是提高铸造铝合金强度的重要途径之一。本文旨在通过优化合金的热处理工艺参数,充分发挥材料的潜能,从而适应高科技的迅猛发展。

1试验方法

纯Al和Al-10Cu、Al-28Si、Al-10Mn、Al-4Ti(质

量分数,%)中间合金在720℃加热熔清后,加入纯Mg和Cd,六氯乙烷除气,三元钠盐变质处理后,在金属型中浇注成Φ12mm×60mm的试棒,实验用合金的化学成分见表1。试样在氮气保护高温炉中固溶处理后,60 ̄80℃水淬,淬火持续时间小于10s。淬火处理后的部分试样在台式干燥箱中时效处理。

布氏硬度试样的尺寸为Φ12mm×5mm,每个硬度值为6个测点的平均。依据标准GB/T145制备拉伸试样(Φ5mm×25mm),试样经(525±5)℃固溶处理后,(175±2)℃时效处理,在WE-10A万能试验机上测试抗拉强度和伸长率。拉伸速度为0.1mm/s,每个值取3个试验的平均值。在配有能谱分析系统(EnergyDisperseSystem)的JSM-6301F型冷场发射扫描电子显微镜上观察合金组织和拉伸断口。

李润霞,李晨曦,李荣德

(沈阳工业大学材料科学与工程学院,辽宁沈阳110023)

Oct.2006Vol.55

No.10

铸造

FOUNDRY

1015

?

?2试验结果与分析

2.1热处理工艺参数对合金力学性能的影响

2.1.1固溶处理对合金力学性能的影响

固溶处理的决定性因素为固溶温度[5-8],为了加速固

溶过程,在保证不过烧的前提下,应尽可能使固溶温度

接近共晶温度,一般固溶温度低于共晶温度5~10℃。

Mg2Si只有在较高温度下才能够迅速溶解。Al2Cu溶解缓

慢,保温时间不够时不能充分固溶于基体[9-10]。

图1为Al-Si-Cu-Mg合金在不同固溶温度和不同固

溶时间对合金硬度的影响曲线,可以看出,固溶温度

对合金的硬度有显著的影响,固溶温度在450~525℃

的范围内变化时,合金的硬度随着固溶温度的升高而

逐渐增大,而535℃固溶时,合金的硬度反而降低,这

是由于合金中发生了过烧引起。同时还发现,在490℃

以上固溶处理,随着固溶时间的延长,合金的硬度总

是先升高,达到硬度峰值后逐渐下降。随着固溶温度

的升高达到硬度峰值的时间逐渐缩短。

图2为525℃固溶时固溶时间对合金T6状态(525℃

固溶淬火后175℃时效6h)抗拉强度和伸长率的影响。

合金的抗拉强度和伸长率均随固溶时间的延长而逐渐增

大,在固溶10 ̄12h达到了峰值;继续延长固溶时间,合金的力学性能有所下降,尤其是强度降低比较明显。

图3是合金铸态和固溶处理2h、10h和14h后合金的拉伸断口形貌。可以看出,铸态合金的断口组织呈脆性沿晶断裂(见图3a),出现了解理平台(箭头所示)。固溶2h后使合金的断口逐渐向韧性过渡,解理平台基本消失,呈现韧窝状断口形貌(见图3b)。固溶处理10h时,合金的断口形貌基本为等轴韧窝状,韧

窝深而细小(见图3c),这时合金的韧性和强度达到最高。继续延长固溶时间,可以看出断口韧窝逐渐变大变浅(见图3d),对应于合金性能的下降。从以上固溶温度与固溶时间对合金力学性能的影响曲线可以看出,合金在515~525℃固溶处理时,合金的力学性能最好;而在525℃固溶处理时,合金在固溶10~12h后力学性能达到峰值。因而,由以上固溶处理工艺参数对合金力学性能的单因素影响结果确定,合金的最佳固溶处理工艺为:525℃固溶处理12h。2.1.2时效处理对合金力学性能的影响图4为合金在不同温度(145 ̄215℃)时效处理的硬度变化曲线。可以看出,每条曲线都有明显的硬化现象。随着时效时间的延长,合金的硬度逐渐升高,到达峰值后,继续延长保温时间,合金因过时效而软化。这和以前的研究结果相同[11-12]。但在本实验中发现,在0 ̄36h的时效硬化过程中,当时效温度大于一定值时,合金的硬化曲线上继第一个硬度峰之后,又出现了一个较小的硬度峰,两峰之间有明显的谷底。尤其是在175℃、185℃时效的硬化曲线上时效的这种“双峰”现象最为明显。175℃时效处理时,时效6h硬

化曲线上出现了第一个硬度峰,时效12h后又出现了第二个硬度峰,但在较低温度(如145℃)时效,硬化曲线上只出现了一个硬度峰。对于低温时效的单峰现象,可能是由于时效温度低,合金元素扩散缓慢,在本实验选用的时效范围内,没有新的相转变[13-14],所以没有第二个峰值出现。

从图4还可以看到,随着合金时效温度的提高,合金到达第一个主时效峰的时间(tmax)逐渐缩短,即合金的硬化速度加快,但硬度峰值(HBmax)降低,说明合金的硬化能力(!HB)减小,"HB为峰时效硬度与时效前硬度的差值,表明合金的硬化能力,见表2。比

较不同温度下的时效硬化能力和时效速度可以看出,时效温度越高,时效硬化的速度就越快,但硬化能力就越弱。合金在145 ̄175℃时效时的硬化能力都很强(#HB>40),但145℃时效到达峰时效的时间tmax比较长(16h),而175℃时效时到达峰时效的时间仅为6h。由此可见,时效温度不宜太高,在200℃左右时效已经使试样的强度受损,同样时效温度也不宜太低,温度太低不但使时效过程太长,而且效果也随温度降低而变得不太明显。

合金固溶处理后在175℃时效不同时间的拉伸性能表1

合金的化学成分

Table1Chemicalcompositionofsamples

wB(%)

Cu1.48

Si9.85

Mn0.18

Mg0.42

Ti0.20

AlBal.

图1固溶处理温度和时间对合金硬度的影响

Fig.1Effectofsolutiontemperatureonhardnessofthealloy图2固溶时间对合金力学性能的影响

Fig.2Mechanicalpropertyofthealloyasafunctionofsolutiontimeat525℃

FOUNDRYOct.2006

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??

见图5。在时效硬化过程中合金强度的变化也同样出现“双峰”现象,合金的强度在6h到达了第一个强度峰,12h又达到了第二个强度峰,两个峰值之间(8 ̄10h)存在一个强度低谷。伸长率变化趋势与强度的变化相反,时效开始后合金的伸长率逐渐降低,但在8 ̄10h时出现了平台,越过平台后伸长率继续降低,直到14h后,伸长率基本保持不变。由图6的拉伸断口形貌可以看出175℃时效的断口主要是等轴韧窝状,伴有少量的撕裂楞。随着时效时间的延长,撕裂楞增多,而时效8h的断口上撕裂楞反而略有减少(图6c)。

从以上时效处理工艺参数(时效温度和时效时间)对合金力学性能的影响曲线可以看出,当合金525℃×12h固溶处理后,时效温度在145~215℃的范围内变化时,若合金的时效温度较低时(165~175℃),合金的峰时效硬度值较高;在175℃时效0~36h的硬度变化曲线上,在时效6h时合金的硬度达到了峰值。因而,由以上时效处理工艺参数对合金力学性能的单因素影响结果确定,合金的最佳时效处理工艺为:175℃时效处理6h。

2.2热处理工艺参数的优化

2.2.1正交实验设计

在上述固溶处理和时效处理参数单因素实验基础上,得出了主要热处理工艺参数(固溶温度TS、固溶时间!S、时效温度TA和时效时间τA)的范围,为了优化Al-Si-Cu-Mg合金的热处理工艺,分析主要热处理工艺参数TS、!S、TA和τA对合金力学性能影响的显著程度,设计了L9(34)正交实验,正交实验的因素水平见表3。

表3正交实验水平因素表

Table3Orthogonaltestfactorleveltable

水平

TS/℃

525

515

505

τS/h

12

10

τA/h

TA/℃

185

175

165

图3525℃固溶不同时间合金的拉伸断口形貌(a)0h,(b)2h,(c)10h,(d)14h

Fig.3SEMfractographsofthealloysolutiontreatedat525℃forvarioustime

图4合金不同温度时效硬度随时间的变化曲线(525℃固溶处理12h)

Fig.4Hardness-agingtimecurvesofthetestedalloyagedatdifferentaging

temperatures

图5抗拉强度和伸长率随时效时间的变化(525℃固溶处理12h,

175℃时效)

Fig.5UTSandelongationofthealloyagedat175℃asafunctionof

agingtime

表2不同温度下时效的HBmax、tmax和!HB

Table2HBmax,tmaxand!HBofthealloyagedatdifferent

temperature

温度/℃

HBmax

tmax/min

!HB

145

120

960

47.2

160

118

600

45.2

175

116.5

360

43.7

185

112

240

39.2

195

110.8

120

38.1

205

108

60

35.2

215

105

40

32.2

铸造李润霞等:铸造Al-Si-Cu-Mg合金最佳热处理工艺的研究1017

??2.2.2正交实验结果分析

根据正交表进行了9炉次试验,每炉次选取三根Φ5mm标准拉伸试棒,力学性能取3根试棒的平均值。正交实验结果见表4。根据极差R(σb)和R(δ5)的值可知,时效温度(TA)对合金强度的影响最为显著,固溶温度(TS)次之,固溶时间的影响小于时效时间,对合金抗拉强度的影响次序为:TA2>TA3>TA1,TS1>TS2>TS3,τA2>τA3>τA1,τS2>τS1>τS3。因而,提高热处理后合金抗拉强度的最佳热处理工艺为:TS1×τS2+TA2×τA2,即525℃×10h+175℃×6h。

而对合金热处理后的伸长率影响最为显著的则是固溶温度,其次为时效时间,固溶时间对伸长率的影

响大于时效温度。对合金抗拉强度的影响顺序为:TS2>TS1>TS3,τS1>τS2>τS3,TA3>TA1>TA2,τA3>τA1>τA2。因而,提高热处理后合金伸长率的最佳热处理工艺为:TS2×τS1+TA3×τA3,即515℃×

12h+165℃×4h。热处理制度是决定合金力学性能的关键工艺,而确定合金的过烧温度,是制定合理的合金半成品固溶处理温度的重要依据。最佳的淬火加热温度是既能保证溶质元素尽可能地溶入基体,又不至引起过烧及组织长大。综合考虑各因素中不同水平的优劣,以及抗拉强度和伸长率均要求高值,同时兼顾能耗[7-8],确定Al-Si-Cu-Mg合金较优的热处理工艺为:TS1×τS1+TA2×τA2,即525℃×

12h+175℃×6h。图6不同时效时间合金的拉伸断口形貌(525℃固溶处理12h)(a)0h,(b)6h,(c)8h,(d)16h

Fig.6SEMfractographsoftestedalloyatdifferentagingtime

Ⅰδ5+Ⅱδ5+Ⅲδ5=4.27序号123456789ⅠσbⅡσbⅢσb极差R(σb

)Ⅰδ5Ⅱδ5Ⅲδ5极差R(δ5

)表4

正交实验结果

Table4Resultsoftheorthogonaltest

因素

力学性能

τS1(12)2(10)3(8)1(12)2(10)3(8)1(12)2(10)3(8)885893878159.679.408.810.86

TS1(525)1(525)1(525)2(515)2(515)2(515)3(505)3(505)3(505)921872863589.4010.18.391.71

τA1(8)2(6)3(4)3(4)1(8)2(6)2(6)3(4)1(8)878895882178.768.649.981.22

TA1(185)2(175)3(165)2(175)3(165)1(185)3(165)1(185)2(175)851922883719.428.949.530.48

σb/MPa293325303302290280290278295

δ5/(%)3.123.003.283.603.303.202.953.102.34

Ⅰσb+Ⅱσb+Ⅲσb=161FOUNDRYOct.2006

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?

?3结论

(1)在固溶处理过程中,合金的硬度随着固溶温

度的提高逐渐增大,且达到硬度峰值的时间逐渐缩短。但高于525℃固溶处理,合金的硬度反而下降。(2)一定温度以上时效处理,Al-Si-Cu-Mg合金的时效曲线上出现了双硬度峰,且第一个硬度峰大于第二个。随着合金时效温度的升高,合金的硬化速度加快,但硬化能力下降。

(3)时效温度对合金强度的影响最为显著,而对合金伸长率影响最为显著的是固溶温度。综合考虑各因素中不同水平的优劣,确定Al-Si-Cu-Mg合金的最佳热处理工艺为:525℃×12h+175℃×6h。

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(编辑:张允华,zyh@foundryworld.com)

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