双级时效工艺对富铁ADC12铝合金组织和硬度的影响

唐 鹏，覃 皓，2，赵艳君，许梅芳，詹 峰

(1.广西大学材料科学与工程学院， 广西南宁530004；2.广西产品质量检验研究院 ， 广西南宁530007)



双级时效工艺对富铁ADC12铝合金组织和硬度的影响

唐 鹏1，覃 皓1，2，赵艳君1，许梅芳1，詹 峰1

(1.广西大学材料科学与工程学院， 广西南宁530004；2.广西产品质量检验研究院 ， 广西南宁530007)

为了探索双级时效工艺对富铁ADC12铝合金的影响，在不同二级时效温度下对合金进行热处理，探讨合金的显微组织和硬度的变化规律。结果表明：随着二级时效温度的提高，合金中方块状初生硅棱角钝化，树枝状共晶硅细化成球状，长针状富铁相细化且圆滑，硬度逐渐提高。在170 ℃的二级时效温度下，合金组织分布均匀，布氏硬度比T6工艺的提高了14.1%，但当二级时效温度达到180 ℃时，合金会出现过时效现象，针状组织再次聚集，硬度急剧降低。

双级时效；富铁；ADC12；过时效；硬度

铝合金因其优异性能被广泛应用于国民经济的各个行业。随着社会的发展，铝合金的需求和消耗快速增长，铝矿石资源日趋枯竭。原铝的生产能量消耗较高，对环境的负面效应较大[1]，而再生铝的生产则很好地解决了以上的问题。通过回收废旧铝生产再生铝的能源消耗仅为原铝生产的5%，每生产1 t再生铝还可以节水10.05 t，分别减少SO2和CO2的排放0.6 t和0.8 t，减少赤泥1.5 t[2]。此外，再生铝的生产不仅具有成本和能耗的优势，也符合国家建设可持续发展社会的要求。

ADC12铝合金就是再生铝，属于Al-Si-Cu系可热处理强化铝合金，其铸造性能良好，铸件强度较高，同时具有优异的耐腐蚀性能和切削性能 ，因此广泛应用于曲轴箱、齿轮箱、气化器本体、照相机机体及电动工具机体等零部件[3]。但国内废旧铝回收和再生技术不完善，对杂质元素尤其是Fe元素的控制还未找到有效的方法。而Fe易与ADC12合金中的Al、Si、Mn等元素发生反应生成复杂相，这些复杂相以金属化合物形态存在，如α-Fe和β-Fe等，对合金性能造成不利影响[4]。其次，合金中硅的形态也影响着其性能，因此，寻求能够优化铁相和硅相的手段极其重要。研究表明，通过变质剂可以显著改善铝合金中铁相和硅相的尺寸和形貌[5-6]，进而使合金的力学性能得到提高。但变质剂对合金微观组织的改善非常有限，其力学性能的提高需要进一步的热处理[7]。

传统的热处理工艺(T6)，经时效处理后零件的硬度比铸造态略有提升，在90～100 HBS。曾礼等[8]对热处理工艺进行了优化，在175 ℃对ADC12铝合金压铸件进行低温时效处理，使合金的硬度提高了18%，并对其低温时效硬化机理进行了理论分析，但目前对多级时效工艺的研究仍较少。本研究以富铁ADC12铝合金为研究对象，在确定固溶、淬火工艺后，设计多组双级时效工艺[9]，并研究双级时效热处理工艺对富铁ADC12铝合金组织和硬度的影响规律，旨在优化富铁ADC12合金针状组织的形貌，提高合金性能。

1 实验材料与方法

实验以某厂生产铁含量较高的ADC12材料为基样，合金成分如表1所示。以传统熔炼工艺浇铸铝棒，所有试样在距底部20 mm截面切取Φ20 mm×10 mm圆柱样进行不同工艺热处理。

试样经打磨、抛光，并用0.5%HF进行浸蚀。用蔡司金相显微镜观察组织，分析热处理前后微观组织变化。用HB-3000B布氏硬度计型按照GB/T231标准进行硬度检测。用耐驰SAT449-型热分析仪进行DSC测试确认固溶温度和时效温度。为了确定合金中相的组成和成分，使用Philips x pert MPD型X射线衍射仪进行XRD扫描；采用Inca Energy350型X射线能谱仪配合Nova NanoSEM 430型超高分辨率场发射扫描电子显微镜进行EDS能谱分析，并拍摄高倍SEM图片。

表1 某厂生产的ADC12铝锭化学成分(质量分数)

2 热力学分析及热处理制度设计

2.1 原始样品的DSC分析

本研究采用单因素变量法设计递增的二级时效温度，分析合金组织变化对硬度的影响。为确定热处理温度，分别对原始样品和T6处理的样品进行差示描量热分析(DSC)，结果如图1所示。

由图1可知，在532 ℃和580 ℃附近有明显的放热峰，表明在这两个温度范围内有相的析出。其中，532 ℃峰为Fe、Cu等元素与Al形成不溶氧化物沉淀析出所致，此过程之前应该为氧化物的固溶、长大和聚集；580 ℃为共晶相的熔化温度。参考常规T6热处理，将固溶温度设定为515 ℃。

2.2 T6热处理样品的DSC分析

由图2中T6处理样DSC分析可见，在117 ℃附近出现波动的放热峰，表明开始GP区和介稳相的析出，而在198 ℃左右出现吸热峰，表明稳定相已发生分解，即发生过时效现象。可以推断，时效发生在117～198 ℃。由此可以把一级时效温度定为120 ℃，二级时效温度分别为150、160、170、180 ℃。

图1 富铁ADC12铸态DSC曲线

Fig.1 DSC curve of as-cast Fe-rich ADC12

图2 T6热处理样品DSC曲线

Fig.2 DSC curve of T6 heat treatment

2.3 热处理制度的设计

热处理工艺设计：①固溶工艺处理，将试样放入箱式电阻炉中，在515 ℃下保温8 h进行固溶处理；②将固溶处理后的样品立即放入温度为24 ℃的蒸馏水中进行淬火，淬火转移时间不超过15 s；③淬火后立即放入带风循环的干燥箱进行时效处理。其中，1#试样采用一次时效工艺，即常规T6处理(155 ℃下保温6 h)。2#～5#试样采用双时效工艺，其一级时效相同，即在120 ℃下保温6 h，二次时效时间均设计为4 h，温度依次递增，分别为150、160、170、180 ℃。

3 实验结果与分析

3.1 热处理制度对合金金相组织的影响

由图3可见，铸态组织以粗大块状的初晶硅以及枝晶状、针状的共晶硅和粗大针状β-Fe相为主。在经过常规T6热处理后，初晶硅棱角发生钝化而变得圆滑，针状的共晶硅及β-Fe则被细化成细小的圆点状。当二级时效温度较低时针状相仍然存在，随着二级时效温度提高，针状相在热处理过程中发生溶解、碎断和球化而轻微变短圆润，且在基体内零星分布。当达到170 ℃时针状相、初晶硅几乎完全球化，但达到180 ℃时出现过时效现象，针状相再次大量出现。

(a) 铸态

(b) T6

(c) 150 ℃

(d) 160 ℃

(e) 170 ℃

(f) 180 ℃

图4 热处理后各试样的硬度平均值Fig.4 Heat treatment’s average hardness of samples

3.2 热处理制度对合金金硬度的影响

以GB/T231标准测试得到的合金布氏硬度平均值如图4所示。由图4可以看出，随着二级时效温度的提高，试样的硬度逐渐升高，并在二级时效温度为170 ℃时达到最高，随后降低。合金硬度的降低可能是时效温度过高所引起过时效效应导致的。因此，二级时效温度选为170 ℃比较合理。与常规T6工艺1#试样相比，4#试样硬度值提高了10%。

3.3 热处理对合金材料显微组织的影响

对合金试样拍摄1 000倍电镜照片，并进行点扫描分析，结果如图5所示。

图5(a)为原始ADC12样的扫描电镜图，可见图中有大量的针状组织出现，针状组织有长有短，且颜色深浅度不同。图5(b)为4#热处理工艺试样的扫描电镜图片，可见图中的组织几乎变为类球状、小颗粒状、短棒状组织。

表2 不同区域的能谱分析结果

为进一步确定电镜图中特征组织的成分，通过点扫描分析其元素含量。

对图5(a)中凸起的浅色较直的针状相(A点)进行了点扫描分析，可知其主要成分为Al-Fe-Si；对图中深色的树枝状和板条状的组织(D点)进行点扫描，可知其主要成分是Al-Si。对图5(b)中的灰色球状颗粒(B点)进行点扫描，可知其主要成分为Al-Si-Fe，与原始样相比，4#工艺热处理样的Si和Fe含量已经大为减少，但Si/Fe的比例仍接近2∶1;对黑色短棒状颗粒(C点)进行点扫描，可知其主要成分是Al-Si，与原始样相比，4#工艺热处理样的Si含量明显增多。

(a) 原始样

(b) 4#工艺热处理样

图5 富铁ADC12合金扫描电镜照片

Fig.5 SEM images of Fe-rich ADC12 alloy

对原始样和4#热处理工艺样进行XRD检测和EDS能谱分析。由图6可知，图5(a)中A点出现的长针状主要为Al9FeSi3相，也就是再生铝合金中主要的有害相β针状相；而少量的Al15FeSi相即为铝合金中的α相，其对合金的性能影响较少。由于固溶和时效热处理对合金相的类型无影响，只是影响析出相的形态和尺寸等外部特征，因此，热处理样品微观组织也由AlSi相和Fe相组成。图5(b)中B点暗灰色组织有Fe存在，通过XRD的分析表明主要是Fe0.42Si2.67的铁硅组织，由危害较大的β相转变为α相。图5(b)中C点深黑色为铝硅共晶组织，通过4#工艺热处理后小针状的铝硅共晶组织转变为类球状的组织。结合布氏硬度的数据分析可知，原始样中长针状、短针状组织经过热处理后都变成类球状颗粒组织，同时其硬度也得到相应的提高。

(a) 原始样XRD分析

(b) 4#热处理工艺XRD分析

图6 XRD分析

Fig.6 XRD pateterns

通过分析可知，随着二级时效温度的提高，不规则的初晶硅相不断钝化，形状趋向于圆形；熔断的共晶硅从短棒状趋向于圆质点，且分布越发均匀；粗大针状Fe细化或碎断，由β相转变为α相。但二级时效温度超过180 ℃度后出现了明显的过时效现象，大量的针状β铁相再次出现，共晶硅相也逐渐短棒化。

3.4 双级时效热处理的机理分析

本研究中，ADC12热处理过程的淬火介质温度为24 ℃，铸锭可以获得较大的冷却速度，从而提高α固溶体的过饱和度，使硬度增大。文献[10]的研究指出，冷却速度为5 ℃/s时，针状β铁相出现的临界含量为0.8%，冷却速度达到10 ℃/s时，针状β铁相出现的临界含量为1.0%。本研究中冷却速度大于10 ℃/s，因此相对抑制了β铁相的析出。文献[11]的研究还表明，提高冷却速度不仅能改善铁相的形态，而且会使其分布更均匀。较高的冷却速度对ADC12产生了较好的强化和硬化作用。

ADC12属于Al—Si—Cu系合金，其中Si、Cu元素对合金都起到强化和硬化作用。含铁量为0.9%～1.6%的ADC12合金，虽然当Fe含量较高时会在基体中形成针状相，产生割裂作用，从而降低合金性能[12]，但Fe可形成不溶于Al的金属化合物，能提高合金的高温强度和硬度而又不降低其线膨胀系数[13]。Si在基体中沉淀和偏聚的速度较快，不形成共格或者半共格的过渡相，产生的强化和硬化作用不明显。Cu溶解在α(Al)基体中或与其他元素形成金属间化合物，如Al2Cu，Cu在合金中起着主要的强化和硬化效果。Cu的强化作用主要有两个：一是Cu原子溶解进入Al原子晶格中，引起晶格畸变，原子的跃迁需要大量的能量，产生固溶强化；二是连续集体相中存在的Al2Cu晶粒阻碍原子扩散，使跃迁难以进行，产生沉淀相强化[14, 15]。

4 结 语

通过对富铁ADC12合金双级时效工艺的研究表明：

①经过常规T6热处理和双级时效热处理后，ADC12原始样中不规则块状的初晶硅发生棱角钝化，趋向变成球状；树枝状、棒状的共晶硅熔断细化变成短细的棒状或圆质点，均匀地分布在基体中；粗大较长的针状β-Fe相随着时效温度的升高得到细化，Fe元素分布弥散，β-Fe相转变为骨骼状弥散的α-Fe相。

②只有选择合适的二级时效温度才能出现均匀分布的金相组织。当双级时效的热处理工艺为515 ℃×8 h+水淬(24 ℃)+120 ℃×6 h+170 ℃×4 h时，平均硬度可达到111HBS，比传统一级时效T6工艺提高10%。当二级时效温度达到180度时，出现了明显的过时效现象，合金硬度降低，针状组织再次出现。

[1] 许国栋,敖宏,佘元冠.可持续发展背景下世界铝工业发展现状、趋势及我国的对策[J]. 中国有色金属学报, 2012,22(7):2040-2051.

[2] 谭喜平,郑开宏,戚文军,等.再生铝合金除铁技术的研究现状与展望[J]. 铸造技术, 2013,24(11):1446-1448.

[3] 刘伟,景莉丽,刘云,等.汽车发动机缸体用ADC12铝合金铸造成分优化[J]. 热加工工艺, 2016,45(5):67-68.

[4] 宋东福,王顺成,周楠,等.Al-Si合金中富铁相形态及其影响因素研究进展[J]. 材料工程, 2016,44(5):120-128.

[5] 郭伟,曾建民.微量元素La,Sb,Ti和Mn对ZA27合金力学性能的影响[J]. 广西大学学报(自然科学版), 2002，27(3):192-195.

[6] 李安敏,胡武,王海超,等.Al-5Ti-B-RE细化剂对热浸渗铝层的组织与性能的影响[J]. 广西大学学报(自然科学版), 2013，38(5):1239-1244.

[7] 赵春凤,吴波,杨上金,等.热处理工艺对AlCoCrFeNiTi_(0.5)高熵合金的显微组织和硬度的影响[J]. 广西大学学报(自然科学版), 2014，39(2):407-416.

[8] 曾礼,陈馨.时效工艺对ADC12铝合金压铸件硬度影响的研究[C]// 重庆市机械工程学会铸造分会、重庆铸造行业协会2010重庆市铸造年会论文集.重庆：中国学术期刊电子杂志出版社，2010.

[9] 卢雅琳,于小健,李兴成,等.双级时效对低压铸造铝合金组织和力学性能的影响[J]. 热加工工艺, 2016，145(8):190-192.

[10]孙益民.消除铁在铝合金中有害作用的途径[J]. 铸造技术, 2009(4):520-522.

[11]LI Z H, YAN H. Modification of primary α-Al, eutectic silicon and β-Al_5FeSi phases in as-cast AlSi10Cu3 alloys with(La+Yb) addition[J]. Journal of Rare Earths, 2015,33(9):995-1003.

[12]姜兆梦,郭存厚,邝允烈.铁含量对压铸铝合金机械性能影响的研究[J]. 特种铸造及有色合金, 1984,2(4):43-45.

[13]RAO Y S, YAN H, HU Z. Modification of eutectic silicon and β-Al_5FeSi phases in as-cast ADC12 alloys by using samarium addition[J]. Journal of Rare Earths, 2013,31(9):916-922.

[14]LIU P, WANG A, XIE J.Modification and aging precipitation behavior of hypereutectic AI-21wt.%Si alloy treated by P+Ce combination[J]. China Foundry, 2014,11(6):516-521.

[15]MA J, YAN D S, LI Y Y, et al. Effect of Aging on the Microstructure and Mechanical Properties of 1460 Alloy[J]. Acta Metallurgica Sinica(English Letters), 2015,28(4):454-459.

(责任编辑 裴润梅)

Influence of duplex aging on the microstructure and hardness of Fe-rich ADC12 aluminum alloy

TANG Peng1, QIN Hao1,2, ZHAO Yan-jun1, XU Mei-fang1, ZHAN Feng1

(1.College of Materials Science and Engineering, Guangxi University, Nanning 530004,China; 2.Guangxi Zhuang Autonomous Region Testing Institute of Product Quality, Nanning 530007,China)

In order to investigate the effect of duplex aging process on ADC12 with rich Fe phase, different second aging heat treatment processes were carried out on these alloys. The variations of microstructures and hardness were discussed. The results indicate that sharp-angled parts in the blocky primary Si were smooth with the increase of second aging temperatures. Meanwhile, the eutectic Al-Si with dendritic shapes was refined and turn into the sphere shape. The needle like Fe-rich phase was also refined and smoothed with the hardness promotion. The alloy with homogeneously microstructure was obtained by using the second aging process at 170 ℃, whose hardness (HB) is 14.1%, higher than that of the alloy treated by using T6 process. The over aging was observed after the alloy was treated by the second aging at 180 ℃. The needle phase agglomerated again in the microstructure, which led to the reduction of hardness.

duplex aging; Fe-rich; ADC12; over aging; hardness

2016-04-10；

2016-06-13

国家自然科学基金资助项目(11364003，51661004)；广西自然科学基金资助项目(2012GXNSFBA053143,2014GXNSFAA118025)；广西科学研究与技术开发重大专项计划(桂科重14122001-3);广西大学有色金属及材料加工新技术教育部重点实验室开放基金资助(GXKFJ09-10)； 广西大学“大学生创新创业训练计划”资助项目(201410593156)；广西生态铝产业协同创新中心资助项目

唐 鹏(1980—)，男，广西全州人，广西大学讲师，博士； E-mail: tangpeng@gxu.edu.cn。

唐鹏，覃皓，赵艳君,等.双级时效工艺对富铁ADC12铝合金组织和硬度的影响[J].广西大学学报(自然科学版)，2016，41(5)：1702-1708.

10.13624/j.cnki.issn.1001-7445.2016.1702

TG166.3

A

1001-7445(2016)05-1702-07