热处理工艺对低硅Al-Si-Mg铸造铝合金组织和力学性能的影响

俞德新 胡欧林 曾瑞祥 芦富敏 宫秀勉 张恒华 杨弋涛

(1.上海大学材料科学与工程学院，上海 200444; 2.上海汇众汽车制造有限公司，上海 200122)

如今，节能、环保、安全已成为人们生活的追求，轻量化也已成为汽车发展方向之一。在金属材料领域，铝合金在综合性能、性价比等方面均优于镁合金、钛合金及钢，使用铝合金零部件能明显减重和节能。由于铸造工艺具有许多技术优势[1]，因此铸造铝合金被广泛用于汽车变速箱、变矩器壳、车轮和气缸体等部件[2]。在铸造铝合金中，Al-Si-Mg合金密度低、力学性能好，因而在汽车制造业被广泛应用。然而，该合金的铸态组织由粗大的α-Al枝晶和枝晶间的共晶硅组成，共晶硅呈粗大的板条状或细针状，并沿枝晶间随机分布，严重割裂基体，导致合金的强度和塑性降低[3]，因而不宜用于制作汽车的关键零部件。

研究发现[4]:对Al-Si-Mg合金进行T6处理能使Si颗粒球化，并降低Si共晶与基体界面的应力集中，从而提高其强度和塑性。T6处理包括固溶处理和人工时效。在固溶处理过程中，合金铸态组织中的析出相溶于固溶体，使组织均匀，减少凝固过程中形成的溶质元素偏析[5-6]，便于时效处理时重新析出颗粒细小、分布均匀的强化相。研究表明[7-8]：固溶处理温度对A380合金的拉伸性能有很大影响，固溶处理还能改变硅相的形态，提高合金的力学性能。

本文研究了T6处理工艺对低硅Al-Si-Mg铸造铝合金组织和力学性能的影响，工艺参数包括固溶温度和保温时间、时效温度和时效时间。研究的目的是优化低硅Al-Si-Mg铸造铝合金的热处理工艺。

1 试验材料与方法

研究用低硅Al-Si-Mg铸造铝合金的化学成分见表1。

表1 低硅Al-Si-Mg铸造铝合金的化学成分(质量分数)

研究用加热炉为SX-10-12 型箱式电阻炉。热处理工艺参数：固溶温度分别为510、520、530、540 ℃，保温时间2、4、6、8 h；时效温度分别为170、180、190 ℃，时效时间2、4、6、8 h。热处理后用线切割加工尺寸为φ15 mm×15 mm的金相试样，拉伸试样标距为30 mm，标距部分直径为6 mm。每个热处理工艺参数取4个拉伸试样，拉伸试验后分析其断口形貌。

为了制定合理的热处理工艺，避免合金固溶处理时过烧，测定了A356合金和试验用铝合金的固相线温度，试样尺寸为3 mm×3 mm×1.5 mm，采用DSC-Q2000差示扫描量热仪进行DSC测试。测试时将试样置于铜坩埚中加热到720 ℃，加热速度10 ℃/min。结果测得A356合金的过烧温度为545 ℃左右，而低硅Al-Si-Mg铝合金为530 ℃左右。

2 试验结果与分析

2.1 固溶温度对低硅Al-Si-Mg铝合金组织和力学性能的影响

经不同温度保温2 h水冷固溶处理的合金的显微组织如图1所示。从图1可以看出，随着固溶温度的提高，合金的共晶Si含量提高，540 ℃固溶处理的低硅Al-Si-Mg铝合金共晶Si含量最高。共晶Si能阻碍初生α-Al相的生长，从而使合金获得细小均匀的晶粒，有助于提高其力学性能。随着固溶温度的升高，第二相溶入基体，未溶的Si 粒子有长大的趋势[9-10]。铝合金铸件的性能与二次枝晶臂间距(secondary dendrite arm spacing, SDAS)有关，二次枝晶臂间距越小，其力学性能越好。

图1 在不同温度固溶处理的低硅Al-Si-Mg铝合金的显微组织

由图2可知，随着固溶温度的提高，合金的力学性能逐渐提高，540 ℃固溶处理的合金的平均抗拉强度达362.4 MPa，平均屈服强度为281.1 MPa，平均断后伸长率为8.80%，即综合力学性能较好，因此后续试验的固溶温度选为540 ℃。

图3为不同温度固溶处理的合金拉伸试样的断口形貌，均显示出明显的韧窝状结构，具有典型的韧性断裂特征，说明合金的韧性和延展性较好。图3显示,断口的韧窝数量和分布均匀性差别不明显，故力学性能相差不大。此外，图3中还存在显微裂纹和气孔等铸造缺陷，这些缺陷处易产生应力集中，促进裂纹扩展，形成撕裂棱，从而使材料断裂失效。510、520和530 ℃固溶处理的合金，断口的韧窝都较大、较深，出现较明显的撕裂棱，故材料的韧性较好，强度稍低。540 ℃固溶处理的合金撕裂棱数量减少，故强度最高，韧性稍有降低。

在不发生过烧的前提下，应尽量提高固溶处理温度，以促进合金元素溶解。随着固溶温度的下降，合金元素或金属间化合物在固溶体内的溶解度随之减小，因此有第二相析出的合金能产生固溶强化。随着合金元素或金属间化合物溶解度的增大，固溶强化效果也更为明显。其原因是，在较高温度下保持足够长的时间，可使固溶体中溶入尽可能多的强化相，随后水或油冷，使过饱和固溶体保持到室温，再时效处理，使合金强化。

2.2 固溶时间对低硅Al-Si-Mg铝合金组织和力学性能的影响

分别在540 ℃固溶处理2、4、6、8 h合金的显微组织如图4所示。从图4可以看出，随着固溶处理时间的延长，共晶Si相基本不变化，但其附近的析出相形貌发生了变化，该析出相较小且分散，如图4(a)所示。由图5的EDS分析可知，该相含Mg和Cu，可认为是析出的强化相。而图4(b～d)表明，强化相都有一定程度的长大，且较为集中。其原因是，在固溶处理时，残留在合金中的第二相与共晶组织溶入基体形成固溶体，使显微组织和成分的均匀性提高。如果固溶处理时间不是足够长，基体中未溶相过多，则在时效时，第二相会优先在残留的溶质元素含量较高的区域析出，且分布不均匀，导致合金力学性能下降[11]。图4(b～d)的第二相都出现在共晶硅附近，说明第二相在共晶硅附近而非在残留相附近形核长大。如图4(a)所示，共晶硅附近析出的第二相较少，说明基体中存在残留相，仅有少量在共晶硅附近析出。

图5 合金中析出相的EDS分析

图4 在540 ℃固溶处理不同时间的低硅Al-Si-Mg铝合金的显微组织

固溶处理时间对低硅Al-Si-Mg铝合金力学性能的影响如图6所示。从图6可知，固溶处理时间对合金的力学性能有一定影响。固溶处理2 h的合金强度最低，抗拉强度仅为357.3 MPa，屈服强度为306.3 MPa，断后伸长率为7.42%；固溶处理4 h的合金，强度明显提高，抗拉强度达到了370.6 MPa，较固溶处理2 h的合金平均提高了约3.7%，屈服强度为319 MPa，断后伸长率也较高，达到了7.8%；固溶处理6 h的合金抗拉强度和屈服强度稍有下降，但断后伸长率降低较多；固溶处理8 h的合金力学性能变化不大。

图6 低硅Al-Si-Mg铝合金的力学性能随固溶处理时间的变化

图7为固溶处理不同时间的合金拉伸试样的断口形貌，断口同样具有典型的韧性断裂特征。图7(a)的韧窝较大而浅，撕裂棱也较多；图7(b～d)的韧窝明显密而深，表明材料的韧性较好，撕裂棱数量减少，故强度最高。

2.3 时效温度对低硅Al-Si-Mg铝合金组织和力学性能的影响

保持固溶处理工艺不变，改变时效温度，分别为170、180和190 ℃。图8为固溶处理和不同温度时效处理后合金的显微组织。图8表明:随着时效温度的提高，共晶Si的含量先增加后减少，180 ℃时效的合金共晶Si含量较高，且分布较为集中，其二次枝晶臂间距也较小，铸件的性能与二次枝晶间距(SDAS)有关，二次枝晶臂间距越小，其力学性能越好[12]，故180 ℃时效的合金力学性能较好。

图8 固溶处理和不同温度时效处理的低硅Al-Si-Mg铝合金的显微组织

图9为时效温度对低硅Al-Si-Mg铝合金力学性能的影响。由图9可知，随着时效温度的提高，合金的力学性能有一定程度的变化，180 ℃时效的合金力学性能相对较好，平均抗拉强度达365.3 MPa,平均屈服强度略微下降，为313 MPa，断后伸长率也达到8.1%，因此合金的最佳时效温度为180 ℃。

图9 低硅Al-Si-Mg铝合金的力学性能随时效温度的变化

图10为不同温度时效处理的合金拉伸试样的断口形貌，同样，断口显示出明显的韧窝状结构，具有典型的韧性断裂特征。170、190 ℃时效的合金，拉伸试样断口的韧窝都较大、较深，有较明显的撕裂棱[13]，故材料的韧性较好，强度稍低；180 ℃时效的合金，撕裂棱数量减少，故强度最高，韧性稍有降低。

图10 固溶处理和不同温度时效的低硅Al-Si-Mg铝合金拉伸试样的断口形貌

时效是铝合金热处理的最后一道工序。时效处理时，铝合金的过饱和固溶体分解，使合金基体的结晶点阵恢复到比较稳定的状态，铝合金的时效机制十分复杂。

2.4 时效时间对低硅Al-Si-Mg铝合金力学性能的影响

保持固溶处理工艺不变，对合金分别在180 ℃时效2、4、6和8 h，其力学性能的变化如图11所示。图11表明，180 ℃时效6 h的合金抗拉强度、屈服强度和断后伸长率均最高，其处理的成本(能源和时间等)低于时效8 h的合金。固溶处理合金中过饱和固溶体是一种亚稳态组织，时效就是使过饱和固溶体分解再析出的过程[14]。如图11所示，合金时效6 h的强化效果最好，即合金的强度达到了峰值。

图11 低硅Al-Si-Mg铝合金的力学性能随着在180 ℃时效处理时间的变化

合金的硬度随时效时间的变化如图12所示。由图12可知，随着时效时间的延长，合金的硬度先升高后降低。随着时效时间从2 h延长至6 h，合金的硬度逐渐升高，时效6 h的合金硬度最高，为125.8 HBW。随着时效时间的继续延长，合金的硬度稍有降低。因此合金在180 ℃时效的最佳时间为6 h。

图12 低硅Al-Si-Mg铝合金的硬度随着在180 ℃时效时间的变化

3 结论

(1)540 ℃固溶处理4 h随后按相同工艺时效处理的低硅Al-Si-Mg铝合金，力学性能最佳，抗拉强度为370 MPa，屈服强度为319 MPa，断后伸长率也达到了7.8%。

(2)采用优化的工艺固溶处理随后180 ℃时效6 h的低硅Al-Si-Mg铸造合金的力学性能相对较高，抗拉强度为365.9 MPa，屈服强度为313.9MPa，断后伸长率提高到了9.3%，硬度为125.8 HBW。

(3)低硅Al-Si-Mg铸造铝合金的最佳热处理工艺为：540 ℃×4 h水淬固溶处理和180 ℃×6 h时效处理。