不同锻压条件对建筑焊接用ADC12铝合金显微组织的影响

收稿日期：20240228

基金项目：陕西省教育科学“十四五”规划2023年度课题立项项目（编号：SGH23Y2999）。

作者简介：李阳，主要从事建筑工程方面的研究。

摘 要：探讨了建筑焊接用近共晶AlSi合金ADC12在变化的锻造条件下其微观结构的变化。在实验中，使用收敛型模具对ADC12合金在300， 400， 500℃三种不同加工温度下进行锻造，锻造比例分别为1.5和2.0。通过X射线衍射（XRD）技术分析了合金中第二相的变化，利用光学显微镜观察了锻造过程中形成的显微组织特性。XRD衍射数据揭示：除铝基体外，ADC12合金主要的相组成为Si， βAl 4.5FeSi和Al 2Cu。在锻造过程中，细小的析出相颗粒沉淀促使ADC12合金的显微组织得到了显著的细化，同时，粗大的颗粒在锻造时也发生了破裂和碎裂。这项研究为深入了解和分析ADC12合金在实际锻造生产中的微观结构变化提供了理论支撑。

关键词：建筑工业；ADC12铝合金；温度；锻压比；显微组织

中图分类号：TG146." TG316

文献标志码：A

Microstructure analysis of ADC12 aluminum alloy under different forging conditions

LI Yang， WANG Yanling

（Xi’an Gaoke Curtain Wall Doors and Windows Co.， Ltd.， Xi’an S 710119， Shaanxi， China）

Abstract： In this study， the microstructural changes of ADC1" a near eutectic AlSi alloy for architectural welding， were investigated in depth under varying forging conditions. In the experiments， the ADC12 alloy was forged using a converging die at three different processing temperatures， 300，400，500℃， with forging ratios of 1.5 and 2.0， respectively.The changes in the precipitated phases in the alloy were analysed by X-ray diffraction （XRD） techniques， and the microstructural properties of the microstructures formed during the forging process were observed using an optical microscope. The experimental results were observed and analysed in detail in order to understand the interaction between the different treatment parameters more comprehensively.The XRD diffraction data revealed that a variety of complex intermetallic phases， such as βAl 4.5FeSi and Al 2Cu， were generated in ADC12 alloy under the high temperature of casting.The precipitation of fine precipitation phases in the forging process contributed to the significant microstructure refinement of ADC12 alloy. microstructure to be significantly refined， while the coarse particles were ruptured and fragmented during forging. This study provides an important theoretical support for understanding and analysing the microstructural changes of ADC12 alloy in the actual production of forging.

Key words： construction industry； ADC12 aluminum alloy； temperature； forging ratio； microstructure

0 引 言

近共晶AlSi合金以其卓越的摩擦阻力和力学特性而广泛应用于众多工业领域。此外，这种合金因具有低密度、良好的耐腐蚀性和低热膨胀系数而备受推崇^［1］。在建筑行业，ADC12近共晶合金已得到广泛应用^［2］。建筑行业中使用的铝合金部件大多通过传统铸造工艺生产，然而，铸造缺陷，如气孔、收缩和空气困扰等，依然是一个显著问题^［3］。在ADC12合金的传统铸造过程中，枝晶结构和液态偏析的出现导致了产品力学性能的不均匀性^［4］。由于ADC12合金的力学特性受到合金元素分布的影响，采用多种技术以消除铸造缺陷、提高合金性能变得尤为必要^［5］。建筑部件在波动或重复负荷条件下，需要承受严重摩擦或磨损，因此、必须具备足够的强度和耐磨性以防止失效^［6］。锻压技术作为一种流行的成型工艺，可以在开放或封闭模具中制造出复杂的建筑部件^［7］，是可以制造具有优异力学性能ADC12合金零部件的方法之一^［8］。然而，硬质硅颗粒的存在使得ADC12合金的变形加工面临挑战，即使在高温加工时，表面裂纹或断裂也可能在加工产品表面出现^［9］。加工参数如模具状况、变形速率和锻压温度等，对最终结果有重大影响^［10］。因此，为了得到无缺陷且具有卓越力学性能的产品，选择合理的加工参数显得尤为关键^［11］。本研究致力于探索近共晶AlSi合金（ADC12）应用锻压技术的可能性并获得可用于焊接的零部件。研究使用圆柱形坯料，在不同的锻压比和温度下进行锻压实验，并分析了不同参数对ADC12合金显微组织特性的影响，以期为该合金的实际应用提供坚实的理论依据。

1 试验材料与方法

在此实验中，使用了两种不同锻压比R的模具进行实验，其R值分别定为1.5和2.0。实验所用柱塞由H13模具钢制成。实验选用的材料为ADC12近共晶铝合金，其通过将高纯度商用铝、Al20Si中间合金和Al50Cu中间合金混合制成。在750℃的石墨坩埚内熔化此合金，并添加了适量的AlSi10进行变质处理。铸造时，加入六氯乙烷（C 2Cl 6）作为脱气剂，使其与熔融金属混合，以清除内部杂质气体。熔融合金在约700℃时被倒入预先加热至大约200℃的铜模具中进行凝固。凝固后的铸锭从模具中取出，先后用细砂纸打磨和丙酮清洗。采用Foundry Master光谱仪对合金的化学成分进行分析，结果展示在表1中。利用Rigaku X射线衍射仪（XRD）来鉴定ADC12合金中的相，同时使用国际衍射数据中心（ICDD）的PDF数据库来识别XRD测量结果中的衍射峰。本研究旨在探讨不同锻压比 R 对ADC12合金微观组织特性的影响。为此，制备了两组实心圆柱状ADC12合金铸锭作为试验样品，其尺寸详见表2。使用高速气动动力锤，提供至少700kg·m的冲击能量，进行锻压实验。所用热模锻压机的详细配置见图1。实验中，样品在锻压模具内分别以1.5和2.0的锻压比R进行处理，锻压温度设置为300，400，500℃。为确保合金成分均匀，样品需在预定工作温度下在炉中预热约1h。在锻压过程中，选用细颗粒石墨粉作润滑剂。锻压完成后，将试样从模具中取出，并采集其显微组织样本以分析ADC12合金的晶粒及第二相形态。样品经过标准金相处理，使用80～2000#砂纸和含油的金刚石悬浮液进行抛光。为分析样品的微观结构，使用凯勒试剂进行腐蚀处理。最终，借助ZEISS光学显微镜，对抛光后的样品中心区域的微观结构特征进行了详细表征。

2 结果及讨论

2.1 XRD分析结果与铸态显微组织

图2展示了ADC12合金的XRD分析结果。在XRD图谱中，Al和Si相呈现出高强度衍射峰，表明这些相的晶体结构。此外，图谱中亦观察到数个强度较低的衍射峰，这些峰已确定为βAl 4.5FeSi和Al 2Cu这两种金属间化合物相。

图3所揭示的铸态ADC12合金的光学显微结构图中，观察到了显著的αAl枝晶结构、共晶硅的针状形态，以及少量初生Si颗粒的存在。通常，共晶组织主要由αAl和共晶Si颗粒组成，而ADC12近共晶铝合金有初生Si相的" 存在表明凝固速率较快，说明其在凝固过程中出现了向过共晶反应偏移而产生的非平衡凝固现象。在ADC12合金的显微结构中，Si颗粒以深色呈现，与之形成对比的是较浅且明亮的金属间化合物颗粒。这些第二相在αAl基体内呈现出不规则的形状和非均匀的分布。铸造过程中的凝固不均匀性导致了Si和金属间化合物颗粒的粗大化现象。据测量，共晶Si相的平均长度约为33.5μm，标准偏差为±9.3μm；而初生Si颗粒的平均长度和标准偏差分别约为32.4μm和±8.5μm。这种微观结构的特点对ADC12合金的力学与摩擦学性能有潜在的负面影响。因此，为了优化合金的力学性能，有必要对这些粗糙和针状的Si颗粒进行细化处理，以实现更加优异的结构特性。

2.2 不同锻压条件下ADC12合金显微组织

如图4与图5所示，展现了ADC12合金试样在经历不同锻压处理条件下的光学显微结构变化。观察两幅图像可以明显发现，ADC12合金在铸造后接受锻压处理，不论在何种处理条件下，其微观结构特征均显现出明显的细化现象。考虑到该合金结构由较软的αAl基体和较硬的颗粒（包括Si颗粒与金属间化合物）构成，这种结构赋予了材料一定程度的脆性。基于此，为了优化锻压效果，实验中选择了在特定锻压温度下进行炉内预热处理，随后在相对较高的温度条件下进行锻压操作。

ADC12合金经过锻压处理后，合金基体中的第二相颗粒呈现较为细小的特征，而相比之下，原始铸造状态下的合金则包含了尺寸较大的颗粒，这些颗粒在预热过程中保持了稳定性，未观察到显著的变化。当进入高速锻压阶段，坯料经受了极大的轴向载荷，导致在向下方向上产生了显著的轴向应力，并对模具壁施加了相应的正向压力（图6）。因此，合金在收敛区域开始流动，并伴随着变形的发生。在这一过程中，模具壁与正在变形的材料之间的摩擦作用非常显著，从而产生了大量的热量，使得合金发生了软化。在锻压过程中，αAl基体在软化后经历了塑性变形。然而，硬质的Si颗粒以及其他第二相颗粒在面对较高的轴向应力时，不能维持其完整性，于是在锻压过程中发生了断裂和破碎，并在基体中得到了均匀分散。结果，原先较粗大的脆硬颗粒被转化为了更细小的颗粒，并在合金基体中实现了均匀分布。表3详细列出了不同处理条件下，锻压试样中共晶Si和初生Si颗粒的平均长度的变化情况。

经过实验观察，与铸态对比，经过锻造处理的ADC12合金的微观结构在不同锻造比例下均出现明显的细化现象。这一变化主要源于锻造过程中，金属颗粒经历断裂与碎裂，进而转变为尺寸更小的粒子，这些粒子在αAl基体内部实现了均匀分布。特别地，当锻造比达R=2.0时，由于截面减少较多（51%），展示出来的颗粒尺寸尤为微小。表3中的数据显示，在400℃的处理温度下，微观结构的细化效果最为突出，其次是300℃。这是因为在400℃的锻造温度下，沉淀的速率加快。同时，在该温度下进行的锻造，共晶Si颗粒和初生Si颗粒的细化作用也更加显著，形成了质量更高的细化微观组织，如图4（b）所示。相较之下，在500℃的锻造温度下进行处理，会引起微观组织的粗糙化现象（图5），这是因为在更高的锻造温度（500℃）下，合金元素的扩散速度提升，导致初生及共晶Si颗粒的生长，进而引发了Si颗粒的粗大化。

3 结 论

（1） 铸造ADC12合金的微观组织主要由粗大的αAl树枝状结构、针状共晶Si以及少量的初生Si颗粒组成。这些特征是由于较快的冷却速度引起的，导致了初生Si颗粒的形成。在锻压过程中，Si颗粒和第二相颗粒发生了断裂和碎裂，从而使合金的微观组织得到了显著的细化。

（2） 在挤压比 R=2.0 的锻压模具中，Si颗粒显示出更小的尺寸。特别是在 R=2.0 的条件下，截面挤压比达到了51%，相对于挤压比 R=1.5， 这种差异在晶粒细化方面更为明显。

（3） 400℃的处理温度相对于300℃可以获得更显著的微观组织细化效果。这是因为在400℃的锻压温度下，合金元素的扩散速率更高，导致Si颗粒和初生Si颗粒更为细小。然而，锻压温度升至500℃时，合金元素的扩散速率增加，导致Si颗粒呈现出增大的趋势，从而使显微组织粗化。

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