退火温度对形变铝硅合金组织和性能的影响

张 超 谢国锋 徐玉松

（1.江苏科技大学 冶金工程学院，张家港 215600；2.江苏广川超导科技有限公司，张家港 215600；3.江苏科技大学 材料科学与工程学院，镇江 212100）

铝硅合金是应用较为广泛的铸造铝合金之一，具有较高的强度、良好的铸造性能及耐磨耐蚀等特点，在汽车轻量化制造过程中常常替代铸铁件[1-2]。然而，铝硅合金中的初生硅和共晶硅属于脆性相，会降低材料的塑性成形能力。但是改善微观组织形态，能够使铝硅合金具有一定的塑性变形能力[3-4]。形变后的铝硅合金在高温服役时，如涡轮增压汽油发动机缸盖内最高工作温度接近300 ℃甚至更高[5]，其组织和性能稳定性尚不清楚。因此，有必要对形变铝硅合金开展进一步研究。

1 试验方法

试验用铝硅合金在坩埚熔炼炉中进行熔炼，熔炼温度为750 ℃。待Al-20wt%Si合金完全熔化后，加入工业纯铝将Si质量分数降低至11%。在熔池上方通入干燥氩气进行脱气处理，脱气时间15 min，随后将熔液倒入砂型模具。凝固后的铸锭尺寸为120 mm×120 mm×50 mm。采用线切割截取Φ40 mm×50 mm圆柱形试样若干，将试样表面打磨平整后放置于液压机上进行压缩试验，压缩变形量分别为30%和70%。将压缩后试样分别放入360 ℃、380 ℃、400 ℃、420 ℃和440 ℃下退火处理1 h后空冷。采用偏光显微镜、布氏硬度计及扫描电子显微镜对材料微观形貌及性能进行表征。

2 结果与分析

2.1 铸态组织形貌

将铸态试样打磨抛光，用质量分数1%的氢氟酸溶液对试样进行腐蚀，组织形貌如图1所示。可以看出，铸态铝硅合金在非平衡凝固条件下，基体组织主要由铝硅共晶组织组成。共晶硅形态呈板条状，平均宽度约为3 μm，长度约为130 μm，未明显观察到大块状初晶硅。

图1 试样铸态组织形貌

2.2 30%冷变形试样

图2为30%冷变形试样组织形貌。经过30%压缩冷变形后，基体组织沿某一方向发生塑性变形，但形变程度较低，基体中共晶硅形态未发生明显变化。这表明30%压缩变形和退火处理未显著改变基体组织。

图2 30%冷变形试样组织形貌

试样经30%压缩变形后，硬度为49.2 HB，不同温度退火后材料的布氏硬度值如图3所示。随退火温度升高，材料硬度逐渐降低，从360 ℃的48.3 HB降低至440 ℃的44.5 HB，下降幅度较小。在30%冷变形下，基体组织与铸态保持一致，热处理后组织形貌没有发生显著变化，因此硬度下降不明显。这是由于当变形量小于临界变形量时，材料内部畸变能较小，不足以发生再结晶，440 ℃退火1 h后铝硅合金仍处于回复阶段。

图3 30%冷变形试样硬度变化曲线

2.3 70%冷变形试样

图4为70%压缩变形后铝硅合金的微观组织形貌，可以看出基体组织发生了明显的塑性形变，共晶硅尺寸较30%压缩变形显著细化，板片状共晶硅消失，变为细小的颗粒状。

图4 70%冷变形试样组织形貌

图5为70%冷变形试样的硬度数据图。由图5可以看出，试样硬度从360 ℃的65.9 HB下降至380 ℃的65 HB过程中，材料硬度并未发生太大变化，仍处于回复阶段；当退火温度升高至400 ℃，试样硬度迅速下降至45.3 HB，其原因是材料发生再结晶导致材料硬度下降明显，通过新晶粒的形核及长大，以无畸变的等轴晶粒取代之前变形的晶粒；退火温度高于400 ℃，再结晶组织发生粗化，材料硬度进一步下降，但降低速率与再结晶阶段相比要小得多。

图5 70%冷变形试样硬度变化曲线

在对铸件的挤压变形过程中，由于应力的挤压和剪切作用，使铸造过程中形成的粗针状共晶硅相发生断裂而被打碎，从而获得弥散的颗粒状组织。然而，在退火处理过程中，由于高温作用，受铝硅合金体系自由能降低的驱使，共晶硅容易发生熔断和颗粒化。随着退火温度的升高，共晶硅的颗粒化进程随之加快，能够最大限度地减小表面积和表面能，使体系达到更稳定的状态。但是，30%冷压缩变形铝硅合金中共晶硅的颗粒化现象并不明显，表明共晶硅形态的转变还与冷变形量有关。70%形变试样热处理后，共晶硅在基体中的分布由聚集状态慢慢分散，呈现出均匀化特征，基体组织经历了回复→再结晶→晶粒长大的过程。

2.4 微区成分分析

图6（a）为30%冷变形试样的组织形貌及微区成分图，可以看出30%冷变形未能对共晶硅起到细化作用，共晶硅仍保留板条状形态。微区成分显示基体由铝和硅组成[图6（a）中框线区域]，两种元素的质量分数分别为85.7%和14.3%，接近共晶成分，表明试样成分较为均匀。图6（b）是经过70%冷变形后试样的扫描电镜图像，图中共晶硅形态发生了明显的细化现象，使得材料组织均匀且弥散。

图6 扫描电镜图像

框线区域面扫描结果显示，铝和硅元素的质量分数分别为8.1%和92.9%，说明该区域即为共晶硅组织。塑性变形对铝硅合金力学性能和微观组织的影响可以通过改善共晶硅的形态来进行调整。由于粗大的硅相会严重割裂基体，降低合金的强度和塑性，因此改变硅相形态，减小其对基体性能的削弱作用，是提高铝硅合金性能的有效途径[6]。

3 结论

（1）铸态铝硅合金在非平衡凝固条件下，基体组织主要由共晶组织组成。共晶硅形态呈板条状，平均宽度约 3 μm，长度约 130 μm。

（2）30%冷压缩变形及退火处理后，铝硅合金组织形貌未发生显著变化，共晶硅形态保持板条状。在360～440 ℃范围内，材料硬度从48.3 HB降低至44.5 HB，处于回复阶段。

（3）70%冷压缩变形及退火处理后，铝硅合金组织形貌发生显著变化，粗大的板条状共晶硅消失，形态转变为细小颗粒状，获得弥散的颗粒状组织。在360～380 ℃范围内，铝硅合金处于回复阶段；在380～400 ℃范围内，试样硬度迅速下降至45.3 HB，材料出现再结晶现象；当退火温度高于400 ℃，再结晶组织长大并粗化，材料硬度进一步降低。