鑄造鋁合金Al6Si4Cu0.25Mg的制備與熱處理工藝

楊 婷，余正平，李小麗，羅 君，鄧發權

(貴州理工學院材料與冶金工程學院，貴州 貴陽 550003)

0 引言

鑄造鋁合金的制備非常的簡單，鑄造鋁合金是用熔融金屬液填充鑄型型腔，凝固形成的毛坯鋁合金。鑄造鋁合金擁有低的密度，比強度高，耐蝕性好，鑄造工藝性能良好，受零件結構設計限制小等優點，由于這些優良的性能使得鑄造鋁合金具有廣闊的應用前景。而經過熱處理后的鑄造鋁合金性能更加優異，針對不同的需求設計不同的熱處理參數從而會得到所需要的性能。

1 實驗過程

整個實驗分為四個步驟：(1)合金設計(按照合金成分算出所需合金原料的質量)；(2)熔煉制備；(3)熱處理工藝，即固溶處理和時效處理；(4)金相組織觀察和力學性能(硬度測試)。研究內容：主要對Al6Si4Cu0.5Mg合金經過固溶(500℃/10 h)之后，時效處理(160℃、180℃、200℃分別時效1、2、4、8、16、24、36 h)；分析時效溫度和時間對合金組織和顯微硬度的影響，(1、4、16+2、8、24+36 h)9個樣，21實驗條件。最后對在不同條件下的鑄鋁進行金相組織觀察和硬度測試。

1.1 合金設計

本次實驗所給出的原料有：高純鋁，Al-50Cu合金，Al-50Si合金，高純鎂，Al-20Ce；元素燒損率：Mg都按照15%的燒損率來配料，其他不變。設計鑄錠總質量900 g。元素稱量保證質量誤差在±2%。按照表1中給出的合金成分計算出所需稱量的原料的質量。其所需的各原料質量如表2所示。

表1 合金成分(wt%，質量百分數)

表2 所需合金原料質量(g)

1.2 合金熔煉

(1)將熔煉爐和熔煉工具清理干凈并預熱至200-300℃，涂上涂料，然后烘干；

(2)將熔煉制備過程中需要的精煉變質劑、覆蓋劑、精煉劑按照所需量分別稱量好，在200-300℃下烘干，以便后續使用。

(3)熔煉：首先在之前稱量好的原料中將小塊狀工業純鋁鋪于熔煉坩堝底部，之后依次放入Al-50Cu、A1-50Si、A1-50Zr合金，最上面放剩下的純鋁塊覆蓋，放入熔煉爐內，然后設置750℃的熔煉溫度，在此溫度下熔煉大約1小時后就會全部熔化。用坩堝夾將熔煉坩堝取出，進行攪拌；放入ZSAB2鍶鹽變質劑；用鐘罩壓入鋁箔包的Mg，并攪拌均勻，在表面撒上覆蓋劑(ZSAJ101A)繼續放入爐中保溫2 min，取出后采用鐘罩將精煉劑壓入鋁液，順時針方向攪拌，然后澆注入模具中成型。其熔煉工藝圖如圖1所示。

圖1 熔煉工藝

實驗中，將得到的鋁合金坯錠用切割機切成9個邊長為15 mm的正方體小坯錠，以便后續實驗使用。因為同一鑄件在不同的部位有厚度的差異也會導致凝固組織和性能的不同[1-2]，故切割時盡量在同一部位，以保證組織和性能的一致性。

1.3 熱處理工藝

對鑄造鋁合金進行熱處理提高了其力學性能和使用性能。鋁合金的強化熱處理工藝主要是淬火或淬火加人工時效，即固溶時效強化。固溶處理要求是溫度高，時間長，使合金元素在鑄造的過程中擴散，完全溶解，從而使形成的平衡β相從溶解相轉變為鋁基體[3]。溶解度越大，固溶強化效果越大。故熱處理方法為將試樣置于箱式爐中在500℃時固溶處理10個小時，同時固溶處理時可能會有內應力、畸變和試樣淬火開裂的產生，故鋁合金在強化后冷卻時應該采用水淬以減少上述情況的發生。其固溶處理工藝參數如表3所示。其固溶工藝圖如圖2所示。

圖2 固溶工藝

表3 固溶處理工藝參數

1.4 時效處理

時效處理是指金屬或合金在固溶處理、高溫淬火或冷加工變形后，在一定的溫度或室溫下保溫，其形狀和尺寸不變，而性能隨時間變化的熱處理過程。本次實驗中時效處理溫度分為160℃、180℃、200℃三個溫度范圍，在這三個溫度下分別進行1 h、2 h、4 h、8 h、16 h、24 h、36 h七個時間段的時效處理，鑄錠切割成為9個樣，并分別標注1～9號，程中4、5、6號樣時效溫度為160℃，1、2、3號樣時效溫度為180℃， 7、8、9號樣時效溫度為200℃，每一個溫度都要時效1 h、2 h、4 h、8 h、16 h、24 h、36 h，在實驗開始時記錄樣品編號、放樣時間和取出樣品時間，在時效過程中要隨時注意觀察保溫箱的溫度，不要混淆樣品編號和所對應的溫度。

1.5 金相組織觀察和力學性能變化

(1)金相組織觀察

在固溶時效處理之后對鑄造鋁金Al-6Si-4Cu-0.5Mg進行金相磨制，每個時效溫度所對應不同的時間段的鑄鋁都要磨金相，并對其組織拍照留作分析。在金相研磨過程中，砂紙的選擇由粗至細。當樣品上劃痕都在同一個方向時就可以使用拋光機拋去金相表面的劃痕，然后用氫氟酸溶液進行腐蝕。需要注意的是，因為鋁合金比較軟，所以在磨的過程中要控制好力度，以減少砂粒的嵌入，減輕樣品表面損傷層的厚度。

(2)力學性能變化

將固溶時效處理后的鑄鋁Al-6Si-4Cu-0.5Mg進行硬度測試，每個時效溫度所對應不同的時間段的鑄鋁都要用維氏硬度測試硬度，并且每一個試樣要測11次硬度，將這11次硬度都記錄下來，去掉一個最大值和一個最小值，求其平均值并記錄下來。不同的時效溫度所對應的不同時間段的平均硬度值如表4所示。

表4 平均硬度值(HV)

2 實驗結果分析

2.1 金相組織變化

在不同的時效溫度對應不同的時效時間，金相組織發生變化。當時效的時間差距很大時其組織有明顯變化。當時效溫度相同且均為160℃而時間為1 h和24 h時的組織如圖3，4所示。當時間相同均為36 h而溫度不同時的組織如圖5，6，7。當溫度相同且均為200℃而時間為1 h和24 h時的組織如圖8，9所示。

圖4 50×10倍160℃-24 h

圖5 50×10倍160℃-36 h

圖6 50×10倍180℃-36 h

圖7 50×10倍200℃-36 h

圖8 50×10倍200℃-1 h

2.2 力學性能變化

根據數據表明：(1)Al-6Si-4Cu-0.5Mg合金隨著時效時間的升高，硬度值增大，160℃和180℃下時效36 h可以達到合金的硬度最大值，而200℃時，硬度值在時效2 h達到最大硬度值107.34 HV。(2)當時效溫度相同時失效時間越長硬度越高。(3)在整個時效過程中時效180℃/36 h時硬度達到120.47 HV，是最大硬度值，在200℃時效時間24 h時硬度最低，為107.34 HV。(4)當時效時間相同而時效溫度升高時硬度概括地講是隨之增大的。

根據時效處理后的平均硬度值(如表4所示)，用Origin軟件處理實驗數據，得到平均硬度值隨時效溫度和時間的變化曲線，可以清晰地反映出實驗數據的變化趨勢，如圖10是平均硬度隨溫度-時間變化的Origin變化曲線。

圖10 硬度隨溫度-時間變化的變化圖

2.3 影響時效的因素

(1)從淬火到人工時效之間停留時間的影響。鋁合金淬火后立即失效比停留時間稍長時強度增高，但塑性反之。

(2)合金化學成分的影響。合金元素能不能在固溶體中溶解決定了合金的時效強化，固溶度的大小隨著溫度的變化而變化。而熱處理過程中有溶解度和固相轉變，所以合金化學成分對熱處理強化有一定的影響。

(3)固溶處理工藝的影響。良好的時效強化效果就是在得到最大過飽和度的均勻固溶體的同時不產生過熱、過燒和晶粒長大，這需要較高的淬火加熱溫度和長的保溫時間，而且在淬火和冷卻過程中不析出第二相，否則，析出相在隨后的時效處理中會起作用，導致局部不均勻析出，降低了時效強化效果。所以固溶處理工藝的設計很重要，需要制定合適的工藝參數才能使這種情況大大減少或不發生。

3 結語

鑄造鋁合金具有良好的力學性能、耐腐蝕性能，好的加工鑄造性能等。而熱處理后的鑄造鋁合金性能更好，強化效果比較明顯，韌性也有所改善，而這幾年我們國家對鋁合金的需求是日益增長的，可以看出鑄造鋁合金在未來具有廣闊的應用前景。