原位Al2 O3变质与热处理对铸造过共晶铝硅合金组织和性能的影响

何 卫，王利民，李辛庚，宗立君，林玉辉，李成栋*

(1.南瑞集团有限公司(国网电力科学研究院有限公司),江苏 南京 211106;2.武汉南瑞电力工程技术装备有限公司,湖北 武汉 430415;3.国网山东省电力公司电力科学研究院,山东 济南 250002;4.青岛科技大学 材料科学与工程学院,山东 青岛 266042)

由于铝合金中的过共晶铝硅合金具有高强度(比共晶或亚共晶铝硅合金高20%～40%),耐磨性好(比共晶或亚共晶铝硅合金高25%～40%)、热膨胀系数小、耐腐蚀等优点,一直受到广泛关注[1-3]。过共晶铝硅合金的性能优化一直是各国研究学者重要的研究课题。

过共晶铝硅合金的微观组织中存在着复杂形貌的初晶硅和共晶硅。初晶硅通常呈现五瓣星形状、板片状和八面体状,共晶硅通常呈现长针状,它们严重割裂了过共晶铝硅合金的基体[4-5]。当硅的尖端及棱角部位在受到外力作用时,容易造成应力集中,导致合金的力学性能大幅度降低,尤其是合金的塑性、韧性及耐磨性等受其影响显著。这就导致过共晶铝硅合金制造的各种零部件在使用及加工过程中,会加速机械的磨损,降低机械使用寿命。为了满足工业需求,通常要对过共晶铝硅合金组织进行细化[6-7]。变质处理是目前工业最常用的细化过共晶铝硅合金的方法。王光磊等[8]通过熔体反应的方法在Al-20Si中加入SiO2粉末制备原位Al2O3/Al-20Si复合材料,发现原位反应生成Al2O3可使合金中的初晶硅细化,且随着SiO2的添加量增加,原位反应生成的Al2O3增多,初晶硅的晶粒尺寸从160～180μm减小到40～65μm,复合材料的硬度从HB 60.19提高到HB 86.69,抗拉强度从102 MPa增加到148 MPa。分析认为一方面由于Si和Al2O3之间具有约3%的小晶格失配,Al2O3可以作为初晶硅良好的异质形核核心[9]。另一方面当Si颗粒成核并在凝固过程中开始生长时,生长界面前的Si原子扩散到固体中,而Al原子则被向前推动。同时,导致Al2O3颗粒、Si颗粒被液相推动,降低Si生长速度,从而细化初晶硅组织[10-11]。

本研究通过在过共晶铝硅合金Al-24Si合金熔体加入Cu O粉末原位反应生成Al2O3细化合金中初晶硅组织,同时生成的Al2Cu型化合物作为增强相强化合金。由于反应生成的Al2O3会阻碍热处理过程中第二相的扩散,本课题设计了一种新的热处理工艺,对变质后的过共晶铝硅合金热处理,使合金中的共晶硅球化趋近于短棒状或粒状且分布更加均匀,进一步提高合金的力学性能。

1 实验部分

1.1 实验设备

井式电阻加热炉,“鲁龙”SG2-3-12型,山东龙口电炉总厂,主要作用为Al-24Si合金的熔炼;箱式电阻加热炉,“鲁龙”SG2-5-12型,山东龙口电炉总厂,主要作用为模具的预热以及Cu O粉末的烘干;金相试样磨抛机,“磨威”MPD-1型,上海光相制样设备有限公司,主要作用为变质以及热处理后Al-24Si合金试样的抛光;电子天平,BS224型,北京赛多斯仪器有限公司,主要作用为Cu O粉末的称量;双目倒置金相显微镜,“江南”XJP-200型,北京时代之峰科技有限公司,主要作用为对变质及热处理后的Al-24Si合金试样的观察;维氏硬度计,310 HVS-5型,莱州华银实验仪器有限公司,主要作用为对变质及热处理后的Al-24Si合金的硬度测试。

1.2 铝合金变质过程

在箱式电阻加热炉中放入45＃钢模具、Al-24Si合金以及称量好的Cu O粉末随炉加热到200℃并保温2 h。Al-24Si合金变质过程如图1所示,在井式电阻加热炉中过热到900℃,保温15 min后,撇去浮渣,然后降温至700℃加入烘好的氧化铜粉末,保温15 min后,搅拌,撇去浮渣,升温至900℃,保温15 min,降至800℃浇注到45＃钢模具中,取样,在金相显微镜下观察分析。

图1 Al-24Si合金变质过程示意图Fig.1 Modification process of Al-24Si alloy

1.3 变质后铝合金的热处理过程

对变质后的铝合金进行热处理如图2所示,将变质后的Al-24Si在箱式电阻加热炉中520℃下分别固溶6、8、10 h,取出后水淬20～30 s,再在箱式电阻加热炉中150℃下时效8 h。分别对固溶后、时效后的样品进行金相观察和硬度分析。

图2 Al-24Si合金热处理过程示意图Fig.2 Heat treatment process of Al-24Si alloy

2 结果与讨论

2.1 CuO的添加量对Al-24Si合金中微观组织的影响

Al-24Si合金熔体加入Cu O粉末原位反应生成了Al2O3,同时生成了Al2Cu型化合物。对其生成的第二相进行EDS分析如图3(a)、(b)所示。从图3(a)中看出白亮小颗粒的第二相主要由Al、O、Si组成,但Si含量较小,且这种白亮小颗粒主要分布在Si相的周围,经证实[12],这种白亮小颗粒是原位反应生成的Al2O3。对图3(b)中白亮鱼骨状的第二相进行区域面扫描,分析中看出这种鱼骨状的第二相主要是由Al、Cu组成,且原子比例接近2∶1,经证实[12]这种较大的鱼骨状的第二相为反应生成的Al2Cu型化合物。

图3 变质后合金第二相能谱分析Fig.3 Energy spectrum analysis of the second phase of the modified alloy

图4为添加不同含量Cu O的Al-24Si合金的微观组织,图5为不同Cu O添加量的Al-24Si合金的初晶硅平均尺寸。图4(a)为未经变质处理的Al-24Si合金微观组织,从图4(a)中可以看出,未经变质处理的合金的初晶硅呈现粗大的五瓣星状和板片状。图5中可见未经变质处理的初晶硅晶粒的平均尺寸达到100.35μm。图4(b)为添加0.3%Cu O变质处理的Al-24Si合金,从中可以看出初晶硅明显细化。此外,共晶硅数量显著增多,长度缩短。结合图5可知其初晶硅平均晶粒尺寸减小到40.52 μm。图4(c)为添加0.5%Cu O变质处理的过共晶铝硅合金,初晶硅得到进一步细化,初晶硅晶粒平均尺寸减小到35.85μm。图4(d)为添加0.7%Cu O变质处理的过共晶铝硅合金,初晶硅开始增大,晶粒平均尺寸增大到45.19μm。结合图4和图5,Al-24Si合金的晶粒平均尺寸随着Cu O的添加量的增加呈现先变小后增大的趋势,当Cu O的添加量为0.5%时,合金晶粒细化效果最显著,晶粒平均尺寸达到35.85μm。随着Cu O的添加量增加,晶粒平均尺寸变大,主要是因为过量的氧化铜加入使生成的Al2O3团聚长大,其异质形核核心和抑制作用减弱,合金中Si形核长大,细化效果变差。

图4 不同含量CuO对Al-24Si合金微观组织的影响Fig.4 Effect of Cu O content on microstructure of Al-24Si alloy

图5 不同CuO添加量的Al-24Si合金初晶硅平均尺寸Fig.5 Average size of primary silicon in Al-24Si alloy with different Cu O content

2.2 热处理对Al-24Si合金中组织和性能的影响

从图5中还可知,当Cu O的添加量为0.5%时,Al-24Si合金晶粒细化效果最显著。为进一步提高Al-24Si合金的性能,对Cu O的添加量为0.5%的Al-24Si合金进行热处理。图6(a)为添加0.5%Cu O变质后未经热处理的Al-24Si合金的微观组织,图6(a)中共晶硅组织呈现细长的针状。图6(b)为变质处理后520℃固溶6 h的Al-24Si合金的微观组织,共晶硅组织已经开始发生明显的球化趋于短棒状和粒状。图6(c)为变质处理后520℃固溶8 h的Al-24Si合金的微观组织,从中能够看出共晶硅组织得到进一步球化,晶粒尺寸更加细小。图6(d)为变质处理后520℃下固溶10 h后的共晶硅组织,共晶硅组织与固溶8 h时基本无变化。综上所述,固溶热处理可使过共晶铝硅合金中共晶硅明显球化,且随着固溶时间的增长,其细化效果越来越显著,当固溶达到饱和后共晶硅组织形貌已无变化,全部呈现为粒状或者短棒状。

图6 不同固溶时间对Al-24Si合金微观组织的影响Fig.6 Effect of different solution time on microstructure of Al-24Si alloy

图7为不同固溶时间下的Al-24Si合金的维氏硬度曲线。从图7看出,硬度曲线呈现先大幅度下降后上升的趋势且最终与固溶处理前相比硬度有所下降。这是因为在固溶初期,由于强化相的溶解,合金中硅相强化作用减弱,合金的硬度下降。随着固溶时间的增长,合金中的溶质原子逐渐溶入基体中,基体达到饱和,阻碍了位错运动,固溶强化效果增强,硬度开始略有增加[13]。

图7 不同固溶时间的Al-24Si合金硬度曲线Fig.7 Hardness curve of Al-24Si alloy with different solution time

图8为不同热处理工艺状态下变质处理后Al-24Si合金共晶硅组织形貌。图8(a)为520℃固溶6 h,150℃下时效8 h的共晶硅组织;图8(b)为520℃固溶8 h,150℃下时效8 h的共晶硅组织;图8(c)为520℃固溶10 h,150℃下时效8 h的共晶硅组织。从图8可见,时效处理后过共晶铝硅合金中的第二相从饱和的固溶体中开始析出,形成细小的弥散相,共晶硅形状主要以短棒状为主,有少量球状。过共晶铝硅合金中的析出相在合金发生塑性变形时阻碍晶体内的位错运动从而使合金得到强化[14]。

图8 时效处理对Al-24Si合金微观组织的影响Fig.8 Effect of aging treatment on microstructure of Al-24Si alloy

图9为不同固溶时间的Al-24Si合金时效后的维氏硬度曲线。

图9 不同固溶时间的Al-24Si时效后维氏硬度曲线Fig.9 Vickers hardness curve of Al-24Si aged at different solution time

从图9看出,固溶6 h时效8 h后合金的硬度与热处理前相比降低,因为时效时间较短,析出相较少,硬度提升较低;固溶8 h时效8 h后合金的硬度最高,为维氏硬度HV 77.1,增幅为1.3%;固溶10 h时效8 h后合金的硬度可能由于固溶10 h,固溶时间过长,合金内晶粒长大,抵消部分时效强化效果。

3 结 论

1)添加微量的Cu O与Al-24Si合金原位反应生成Al2O3可以明显细化过共晶铝硅合金中的初晶硅。当CuO的添加量为0.5%时,晶粒细化效果最佳,晶粒平均尺寸达到35.85μm。

2)经过热处理后的Al-24Si合金中的共晶硅发生明显球化,共晶硅组织尺寸减小,呈现短棒状和粒状。固溶处理后的合金硬度下降,硬度最大降幅为6.4%。经过时效处理后合金相比于热处理前硬度提高,硬度最大增幅为1.3%。Al-24Si合金最佳的热处理工艺为520℃下固溶8 h,150℃下时效处理8 h,维氏硬度HV 77.1。