李史星，苗艷偉

(洛陽麥達斯鋁業(yè)有限公司，河南 洛陽 471009)

A390過共晶鋁硅合金由于具有熱膨脹系數(shù)小、體積穩(wěn)定性高，以及優(yōu)良的耐磨性耐蝕性和一定的高溫強度，被廣泛用于制動鼓、汽車輪轂、發(fā)動機轉(zhuǎn)子及斜盤等耐磨件，是汽車、摩托車、工程機械等發(fā)動機系統(tǒng)的首選材料之一。

目前國內(nèi)高品質(zhì)過共晶鋁硅合金制品主要還是依賴進口，一些發(fā)達國家主要采用連鑄技術配合先進的半固態(tài)成型技術進行過共晶鋁硅合金(A390合金為主)的零件生產(chǎn)，因此制件性能得到大幅提高。為了突破這一技術難題，打破國外技術壟斷，國內(nèi)對過共晶鋁硅合金半固態(tài)成形技術開展了系統(tǒng)的研究和開發(fā)，認為合金熔體的變質(zhì)處理、強制均勻凝固、半固態(tài)成形以及熱處理工藝，是獲得高端過共晶合金制品的關鍵技術，其中熱處理可以最大限度發(fā)揮A390類鋁硅合金的性能潛力。本文對A390合金進行固溶、時效處理，以期通過組織觀察、力學性能檢測等方法，來研究時效時間和溫度對A390合金硬度等性能的影響，從而進一步分析A390合金的熱處理強化機制及影響因素，為生產(chǎn)開發(fā)和應用提供試驗與理論依據(jù)[1-3]。

1 實驗過程

1.1 熱處理實驗方案

(1)固溶處理。A390合金的固溶處理保溫溫度一般要低于固熔線溫度或共晶相熔點10℃～15℃。本實驗選取保溫溫度為490℃，時間為8h。

(2)時效處理。將固溶后的試樣放入DHG-9070A型電熱恒溫鼓風干燥箱中，分別在170℃、180℃、190℃下保溫4h、8h、12h和16h進行對比試驗。熱處理實驗方案具體見表1。

表1 熱處理實驗方案

1.2 金相及顯微組織觀察實驗

A390合金試樣的制備包括取樣、磨制、拋光、浸蝕等工序，制備好的試樣應能觀察到真實組織，無劃痕，并使金屬組織中的雜夾物，第二相等不脫落，否則將會嚴重影響顯微分析的正確性。

采用XJP-3A型臺式金相顯微鏡對熱處理前后試樣進行金相顯微組織觀察與分析，并且采用掃描電子顯微鏡觀察各種熱處理前后試樣微觀組織、合金元素分布及試樣斷口形貌。

1.3 拉伸實驗

加工試樣是用臥式車床加工成粗糙試樣，試樣尺寸見圖1，然后用砂紙把試樣表面磨光，以致沒有顯微缺口即可。拉伸試樣在室溫和軸向加載條件下進行，試驗機加載軸線與試樣軸向重合，載荷緩慢施加，應力應變同步，試樣應變速率為<10-1/s。記錄實驗結(jié)果，包括試樣抗拉強度σb和拉伸延伸率δ5。

圖1 拉伸試樣尺寸Fig.1 Tensile specimen size

1.4 布氏硬度實驗

此次布氏硬度試驗的規(guī)格是硬質(zhì)合金壓頭(直徑D=5.0mm)，試驗力p=2452N，試驗力保持時間為30s。測試前將試樣表面的氧化層磨去，保證試樣上下面平行。

分別對170℃溫度下時效4h、8h、12h、16h的試樣編號1、2、3、4；180℃溫度下時效4h、8h、12h、16h的試樣編號5、6、7、8；190℃溫度下時效4h、8h、12h、16h的試樣編號9、10、11、12。 對這12個試樣進行布氏硬度測驗，分析時效對硬度的影響。硬度實驗在HB-3000B型布氏硬度試驗機上進行。

2 實驗結(jié)果及分析

2.1 時效處理對A390合金硬度的影響

本實驗中測量布氏硬度。制備布氏硬度試樣，按國標規(guī)定使用布氏硬度儀先測出試樣上3個點壓痕直徑，計算平均壓痕直徑，然后通過對照表得到對應的硬度值(表2)。圖2展示了不同時效溫度下的硬度值。

表2 擠壓態(tài)及時效后試樣布氏硬度

從表2可以看出，對比擠壓態(tài)試樣，熱處理后試樣硬度值有明顯提高。從圖2中可以看出，合金有明顯的時效硬化效應，隨著時效時間的延長，合金的硬度逐漸升高，在達到峰值后繼續(xù)延長時效時間則合金的硬度又會降低。

影響布氏硬度的因素有合金元素固溶、空位及未溶相等。經(jīng)固溶時效處理后合金中第二相分布會比鑄態(tài)下更彌散，這是導致熱處理后比鑄態(tài)下硬度明顯提升的原因。時效過程是一個熱激活過程，同時受時間和溫度影響。時效時第二相的脫溶符合固態(tài)相變的階次規(guī)則，脫溶順序一般為，偏聚區(qū)→過渡相(Al2Cu的多渡相θ和Mg2Si的過渡相β)→平衡相。過程中析出的亞穩(wěn)定過渡相一般與基體呈共格或半共格界面，晶格畸變能很大，對材料強化很重要；平衡相則一般與基體形成新的非共格界面，晶格畸變能較小，對材料強化作用小于亞穩(wěn)相。所以對應圖2中呈現(xiàn)相同溫度下隨著保溫時間延長硬度曲線出現(xiàn)先升高后降低現(xiàn)象[4-5]。

圖2 一定時效溫度不同時效時間下的硬度關系Fig.2 Hardness relationship of different aging time at certain aging temperature

由圖2可清晰的得到結(jié)論，熱處理后試樣與擠壓態(tài)試樣相比硬度有顯著提高；在相同時效溫度下，時效時間8h，試樣硬度最大；時效時間8h，時效溫度190℃，樣品硬度最大。

2.2 拉伸試驗結(jié)果及分析

對熱處理后的12個試樣進行硬度測試之后，得到硬度最好的熱處理工藝是490℃固溶8h，水淬，之后190℃時效8h，空冷。加工該工藝拉伸試樣，完成拉伸實驗，并根據(jù)拉伸數(shù)據(jù)和微觀斷口進行分析拉伸性能。

2.2.1 拉伸實驗數(shù)據(jù)分析

圖3 是A390合金在室溫下測試的應力應變曲線圖。從圖3可知隨著應力的增加應變隨之增加，試樣最終抗拉強度平均為325MPa。

圖3 A390合金在室溫下測試的應力應變曲線Fig.3 Stress-strain curves of A390 alloy measured at room temperature

2.2.2 拉伸斷口形貌分析

熱處理490℃×8h+時效190℃×8h的試樣，完成拉伸實驗，通過掃描電子顯微鏡觀察微觀斷口形貌。 樣品不同放大倍數(shù)的拉伸斷口形貌如圖4所示。

圖4 試樣拉伸斷口形貌Fig.4 Tensile fracture appearance of specimen

從圖4可知，A390過共晶鋁硅合金的室溫拉伸斷裂方式為混合斷裂，既有初晶硅的脆性斷裂特征，同時又有鋁基體的韌性斷裂特征。脆性斷裂裂紋多起源于晶界及初晶硅與基體結(jié)合處，這是因為初晶硅粗大并且很脆，容易發(fā)生偏聚而造成應力集中有關。在外力作用下， 基體與初晶硅的變形程度不同，產(chǎn)生很大的內(nèi)應力，從而使裂紋從它們的結(jié)合處開始萌生，隨著拉伸的進行沿著結(jié)合處擴展，最后斷裂。在圖4(a)中能看到有些許塑坑存在，說明樣品有一定的塑性；圖4(d)中又能看到深而整齊的溝痕，說明樣品斷裂主要為脆性斷裂。

2.3 顯微組織分析

2.3.1 A390擠壓態(tài)試樣金相顯微組織

圖5是A390過共晶鋁硅合金的垂直擠壓面和平行擠壓面的金相組織形貌。

圖5 A390合金金相組織形貌Fig.5 Metallographic morphology of A390 alloy

平行擠壓面與垂直擠壓面組織相比較，內(nèi)部組織均勻程度高，初晶硅晶粒更完整但平均尺寸大，初晶硅與共晶硅棱角有所鈍化，這些特點使性能有所提升。而與此相反， 垂直擠壓面的A390過共晶鋁硅合金組織初晶硅略小， 但尖角現(xiàn)象明顯，制約了應用性能的提高。

圖6為A390合金擠壓態(tài)XRD分析。由圖6可得，A390合金的鑄態(tài)組織有α-Al固溶體、θ(Al2Cu)。根據(jù)文獻可知，還有 Al2CuMg及少量Al-Fe-Si等雜質(zhì)Fe相，但是這些相比較少，無法用XRD圖譜分析出。由于合金化元素比較多，所以在α-Al晶界有大量的共晶體，它們以網(wǎng)狀形態(tài)分布在晶界上。這些晶界相的存在嚴重割裂了基體組織，因而大大降低合金的性能，所以合金必須進行熱處理以消除其組織缺陷。

2.3.2 時效處理對合金顯微組織的影響

(1)熱處理后A390合金顯微組織

圖7是A390過共晶鋁硅合金擠壓鑄造件熱處理后的形貌圖，與圖5平行擠壓面擠壓態(tài)樣品對比可以看出，合金經(jīng)過熱處理后，初晶硅的棱角鈍化。

圖6 擠壓態(tài)XRD分析Fig.6 Extruded XRD analysis

圖7 固溶490℃×8h 時效170℃×8hFig.7 Solution at 490 ℃ × 8 h and aging at 170 ℃ × 8 h

在合金未進行熱處理時，合金內(nèi)部的初晶硅具有尖銳的棱角，這些尖銳的棱角具有割裂鋁基體的作用。在材料服役過程中，往往會在初晶硅與鋁基體結(jié)合的地方產(chǎn)生裂紋，從而導致材料的強度、塑性、耐磨性等降低。當合金經(jīng)過熱處理以后，初晶硅尖銳的棱角有所鈍化，增加了硅顆粒與基體的結(jié)合緊密程度，有效抑制了裂紋的形成。

(2)不同時效工藝下的金相組織及XRD圖像對比

圖8是170℃下不同時效時間的金相組織。仔細與圖5平行擠壓面擠壓態(tài)對比，可以觀察到，經(jīng)過固溶時效處理的合金中第二相的分布明顯比擠壓態(tài)的要彌散，沒有發(fā)現(xiàn)明顯的偏聚現(xiàn)象，而且時效8h的合金顯微組織第二相要比時效12h、16h的少， 起到彌散強化作用的 Al2Cu的過渡相θ和Mg2Si的過渡相β，在金相顯微鏡下是很難觀察到，或者即使觀察到也不是很清晰。因此，可推測在圖8中觀察的第二相是屬于穩(wěn)定的第二相(它可能是未固溶進入基體中的第二相或者是時效過程中過時效后的第二相聚集)，它對基體的強化作用明顯小于亞穩(wěn)相的強化作用。所以，時效12h和時效 16h的金相組織中出現(xiàn)了較多的穩(wěn)定的第二相， 與時效8h的組織相比可以認為是進入了過時效階段，硬度開始下降了。

圖8 170℃下不同時效時間的金相組織Fig.8 Metallographic structure of different aging time at 170 ℃

在時效過程中，基體中析出了強化相，而且可以看出強化相是彌散分布。照片中，析出物是θ相(Al2Cu)，數(shù)量極少的是β相(Mg2Si)。這與預期結(jié)果一致，該合金的主要強化相應該是θ相(Al2Cu)，而β(Mg2Si)相處于次要地位。時效的目的就是要過飽和固溶體在時效過程中能夠細小、彌散、均勻的析出θ相(Al2Cu)和β相(Mg2Si)等強化相[4-5]。

4 結(jié)論

本文以擠壓態(tài)A390合金作為研究對象，利用光學顯微鏡、金相拋光機、布氏硬度計、拉伸試驗機等設備，系統(tǒng)研究了時效處理對A390合金組織、硬度等性能的影響。得出以下結(jié)論：

(1)熱處理后樣品硬度顯著提高，硬度值由擠壓態(tài)的79.1升高到120以上；相同溫度下，隨時效處理時間延長，A390合金布氏硬度出現(xiàn)先升高后降低的變化；最佳熱處理工藝是固溶490℃×8h+時效190℃×8h；

(2)在熱處理工藝固溶490℃×8h+時效190℃×8h制度下，A390試樣抗拉強度平均為325MPa；拉伸斷口形貌表明，A390過共晶鋁硅合金的室溫拉伸斷裂方式為混合斷裂；

(3)熱處理可以使得A390合金中的初晶硅棱角鈍化，經(jīng)時效處理過飽和固溶體在時效過程中能夠細小、彌散、均勻的析出強化相，促使A390力學性能提高。