热处理对A356铝合金组织与性能的影响

2015-06-12何兵，覃铭，兰旅

长春工业大学学报 2015年6期

何兵，覃铭，兰旅

（百色学院材料科学与工程学院，广西百色 533000）

0 引言

当今社会节能、环保、安全成为人们生活的追求。随着人们生活水平的提高，汽车的数量日益增加。如今汽车轻量化技术成为汽车领域的研究热门。实现汽车的轻量化主要有两种方法：一是改进汽车的结构设计；二是研究出新型材料［1］。A356铝合金具有铸造流动性好、气密性好、收缩率小和热裂倾向小的优点，经过热处理后，该合金具有良好的机械加工性能等优点，成为实现汽车轻量化目标优先考虑的材料，也是当今汽车轮毂材料领域的热门，同时汽车轮毂行业的发展也对铸造铝合金的综合性能提出了更高的要求［2］。饶晓晓［3］等试图通过固溶工艺参数的改变研究热处理工艺与A356铝合金的组织和力学性能之间的存在关系。研究结果表明，当固溶温度设定为535℃时，设定保温时间增加，抗拉强度、硬度和延伸率基本上都是先升高后下降。当保温时间为3.5～4.5h之间时，A356铝合金的强度、硬度及延伸率3种综合力学性能才能达到最佳。A356铝合金在545℃×3.5h下进行固溶处理后，具有较好的综合力学性能［4］；廖博超［5］等对A356铝合金铸件在经T5热处理，并对热处理后的试样进行力学性能实验，通过与半固态压铸件、液态压铸件和普通压铸件的力学性能进行比较，结果表明，热处理效果也比液态压铸件和普通铸态试样要好；杨彬［6］等研究混合稀土及热处理对A356合金组织与性能的影响。研究结果表明，添加混合稀土后的A356铝合金性能在热处理状态下比铸态具有更好的综合力学性能，伸长率有了较大的提高，合金经采用适当的热处理制度，才能达到使用性能要求。

选择合适的热处理工艺可缩短企业生产周期，提高材料的综合力学性能，给企业带来更好的经济效益。通过研究不同固溶温度对A356铝合金组织与性能的影响，分析显微组织变化，发现在540℃固溶6h后淬火，然后自然时效3.5h，再在155℃固溶2h后空冷，这一热处理工艺能使合金获得球状共晶硅，合金表现出较好的力学性能，为实际生产的热处理工艺优化提供一定的理论依据。

1 试样制备及试验方法

1.1 试样制备

试验用A356合金材料取自广西平果铝合金精密铸件有限公司产品，其化学成分见表1。

用江苏数控有限公司的电火花机从A356铝锭切下冲击试样、拉伸试样、块状试样。试样平均分为5组，其中4组进行热处理。T6热处理是A356铝合金材料最主要的热处理强化方式，包括淬火处理和时效处理。为了有效消除A356铝合金的非平衡结晶组织，形成较均匀的平衡组织，提高材料拉伸性能，可以采用适当的热处理工艺，见表2。

表1 A356合金各合金元素质量分数

表2 热处理工艺

1.2 试验方法

用型号为MX－6RT金相显微镜观测组织形貌；用莱州华银试验仪器有限公司生产的HR－150A型洛氏硬度计测A356铝合金的硬度；用WDW－100材料万能试验机进行拉伸试验。试验结果为3个以上合格试样的平均值。

2 实验结果与分析

2.1 不同固溶温度对A356铝合金显微组织的影响

取经热处理过的合金块和未经热处理的合金块制备成金相块，镶嵌制备成金相样。选择横向磨面，粗磨、细磨、机械抛光。将抛光好的试样在0.5%HF水溶液中浸蚀，浸蚀时间为5s。试样浸蚀后用酒精棉擦净吹干。将浸蚀好的试样放在MX－6RT光学显微镜的载物台上，观察其显微组织，分析热处理前后合金中各相的变化。A356铝合金中的相主要包括：α－Al基体相、Si相、Mg2Si强化相。A356铝合金在未经热处理的条件下存在严重成分偏析，组织成分分布非常不均匀，晶粒粗大，塑性低。经T6热处理后的微观组织、共晶硅的形态发生了较大的变化，α－Al基体由原来的粗大的树枝状或片状转变为均匀圆整的棒状或小块状，对基体起到割裂作用。A356铝合金经过T6热处理后，硅完全固溶到了基体中，共晶硅的形态发生了改变，成为了小而圆整的颗粒状，此时合金的微观组织有良好的改善作用。

根据显微镜观察金相组织，分别如图1～图5所示。

图1 未处理试样

图2 520℃保温6h后淬火＋自然时效3.5h＋155℃保温2h后空冷

图3 530℃保温6h后淬火＋自然时效3.5h＋155℃保温2h后空冷

图4 540℃保温6h后淬火＋自然时效3.5h＋155℃保温2h后空冷

图5 550℃保温6h后淬火＋自然时效3.5h＋155℃保温2h后空冷

在图1为A356铝合金的铸态组织中，其铸态组织主要是由白色部分的组织（Al）基体和浅灰色的共晶体（α＋Si）组成，其中α（Al）基体形状为椭圆形树枝状；浅灰色的共晶体（α＋Si）密集聚集在树枝间隙，总体呈现出纤维状，共晶硅的颗粒呈较粗大的枝晶。而且成分偏析较明显。成分偏析的主要原因是浇注成型时冷却的速度过快，各个成分的原子扩散不了那么快，导致在晶界处形成偏析。在图2中，合金经过520℃热处理，基体形状转变为圆球状，硅颗粒被孤立，数量明显减少，颗粒变得过于粗大。这说明Mg、Si以及化合物Mg2Si更多的溶入到铝基体中，长大的未溶颗粒呈现粗大状。在图3中，经过530℃热处理，出现了片状的共晶硅，其宽度和长度都有很大的差别，总体颗粒较为粗大。基体形态变化特别明显，呈现粗大块。在图4中，经过540℃的固溶处理后，A356铝合金的粗大的枝状共晶硅逐渐被熔断消失，形成均匀的球状。A356铝合金的综合力学性能取决于Mg2Si、Si的形貌和数量的多少及其是否均匀分布等。经530℃／6h淬火＋自然时效3.5h＋155℃／2h空冷后，其原子扩散与溶解更充分，固溶强化效果更明显。共晶硅熔断后，形貌趋于球状或更加圆整的形状或小颗粒，各组织成分的分布比热处理前更为均匀，使合金性能得到了强化。这时固溶时效处理后，粗大的共晶硅逐渐消失，过剩的硅几乎完全溶解到基体中，分布较为均匀，颗粒大小较一致［7－8］。在图5中，经过550℃热处理，共晶硅颗粒较细小分散，均匀分布在基体中，但颗粒有长大的趋势。

2.2 不同固溶温度对A356铝合金力学性能的影响

2.2.1 硬度对比

硬度试验使用莱州华银试验仪器有限公司生产的HR－150A型洛氏硬度计，试验的试样为热处理的A356铝合金材料。分别对样品固溶处理和时效处理前后的5组实验进行硬度测试，5组试样的硬度测量结果见表3。

根据硬度对比，520℃温度下，A356铝合金的硬度比未经处理的硬度高；530℃温度下，合金硬度达到最高值；540℃和550℃处理，硬度保持不变，与530℃的硬度相比有明显的下降，比520℃的硬度稍高；热处理后材料的硬度与未经处理材料的硬度都有显著的提高，硬度先升后降后趋于平稳。

表3 不同固溶温度热处理后合金硬度值 HRA

2.2.2 拉伸实验对比

将热处理前后的拉伸试样用线切割制成拉伸片状试样，用砂纸打磨切割线痕，直到试样表面光亮无线痕，避免拉伸时直接在线痕处拉断，减少对实验结果的影响。用型号为WDW－100的微机控制电子万能实验机来做拉伸实验。

在试样标距内标出50mm标距，在标距内3个不同地方用游标卡尺测量试样的宽度、厚度，取平均值，以2mm／min的速度拉伸。

根据试验得出力值－变形图和应力－应变图分别如图6和图7所示。

图6 力值－变形曲线

图中的曲线代表经过不同热处理温度的试样。由图6和图7可以看出，未经过热处理的试样抗拉受力和抗拉强度是最小的，分别为2 869.34N和131.00MPa，变形量和延伸率最大，达到3.47mm和6.94%；520℃热处理后变形量和延伸率有所下降，位列第二，分别为3.40mm和6.80%，抗拉受力和抗拉强度微量提高，分别为2 927.66N和149.00MPa；530℃热处理试样，变形量和延伸率迅速下降达到最低，仅有1.96mm和3.92%，但抗拉受力和抗拉强度升到第二，分别为3 231.54N和164MPa；540℃热处理试样，变形量和延伸率适中，分别为2.43mm和4.86%，抗拉受力和抗拉强度达到最大值，分别为3 568.46N和181.00MPa，形成的Mg2Si可以有效钉扎位错，阻碍晶界的滑移，提高合金力学性能；550℃热处理试样，变形量、延伸率、抗拉受力和抗拉强度都处于中等，分别为2.27mm，4.53%，3 186.30N，162.0MPa。经过热处理的试样比未处理试样变形量和延伸率都有所下降，呈现先下降后上升趋势；抗拉受力和抗拉强度都有所上升，呈现先上升后下降趋势。

2.2.3 冲击实验对比

试样在冲击载荷的作用下变形最后断裂，冲击总功为Wt。变形由可恢复的弹性形变和不可恢复的塑性形变，当冲击载荷以很快的速度作用在较脆试样时，试样直接从弹性形变到断裂，表现为塑性破坏。其载荷与时间曲线如图8所示。

图8 载荷与时间曲线

图中，We、Wd、Wp分别为弹性变形功、塑性变形功和裂纹扩展功。We＋Wd为裂纹形成功WI，冲击总功可以表示为Wt＝WI＋Wp。不同热处理温度试样在冲击断裂后组合图如图9所示，不同热处理温度试样的冲击曲线如图10～图14所示。

图9 不同热处理温度试样在冲击断裂后组合图样

图10 未热处理冲击曲线图

图11 520℃保温6h后淬火＋自然时效3.5h＋155℃／2h空冷冲击曲线图

图12 530℃保温6h后淬火＋自然时效3.5h＋155℃／2h空冷冲击曲线图

图13 540℃保温6h后淬火＋自然时效3.5h＋155℃／2h空冷冲击曲线图

图14 550℃保温6h后淬火＋自然时效3.5h＋155℃／2h空冷冲击曲线图

各试样冲击功见表4。

表4 不同试样的冲击总功（Wt）、裂纹形成功（WI）和裂纹扩展功（Wp）

冲击曲线图以时间（ms）为横坐标，图10～图14都选择2.00～3.50ms时间区间，纵坐标左边为冲击载荷（kN），右边为冲击功（J）。从冲击曲线图中可以看出裂纹形成功、裂纹扩展功、冲击时间、冲击载荷以及冲击功。从图8中我们知道，冲击功就是从冲击开始到断裂时间段曲线所围成的面积，冲击功可以在能量－时间曲线看出（具体值见表4）。从曲线的峰宽大小也可以看出冲击韧性的好坏：峰宽越大，韧性好；峰宽小，韧性较差。

从图9中明显看出，所有试样都没有发生脆性断裂，其中经过530℃热处理试样断裂后弯曲呈现的角度最大，说明从塑性变形到断裂所需的时间最长，在所有试样的韧性最好，裂纹扩展时间变长，试样发生少量塑性变形，韧性较好。其他试样都发生少量和微量变形，这些都反映热处理对试样形变即冲击韧性的影响很大。

经过对比，热处理试样的冲击总功Wt相对未处理试样有很大的提高。其中经过530℃处理的试样冲击总功最高，峰宽最大，裂纹扩展功达到最高值，说明试样从塑性变形到断裂所需能量最高，经过的时间最长，冲击韧性最好。未处理试样则刚好相反。520℃处理、540℃处理和550℃处理试样冲击总功相差不大，表现为峰宽、裂纹扩展功和断裂所需时间都差不多一样，比未处理试样有很大的提高，却比530℃处理的试样存在一定的差距，冲击韧性总体得到了提高。