A356 合金鑄造余溫熱處理工藝的研究

劉淑琪，楊凱雯，鐘魯寧，靖雨嬌，周 煜，朱文龍

（江蘇省宿遷學院 材料工程系，江蘇宿遷 223800）

A356 合金是一種典型的Al-Si-Mg 系三元合金，具有優秀綜合性能的鑄造鋁合金。它不僅具有很好的鑄造性能（流動性好、線收縮小、無熱裂傾向，氣密性好），同時比重小，耐蝕性良好，通過熱處理可達到較高的強度、良好的塑性和高沖擊韌性，因此成為了汽車、摩托車鑄造鋁輪轂的首選材料[1-5]。A356 合金的Si 元素的成分范圍約為6.5%～7.5%，通過對Al-Si 二元相圖的分析可知合金中含有近半體積分數的共晶組織。共晶組織中的硅相在鑄造條件下會以粗大的不規則針狀存在，且分布不均勻，如若不改善其形態及分布，將降低合金的韌性，并不利于合金的機械切削性能。

通常對A356 合金在較高溫度下固溶處理，不僅可以改善其共晶硅組織的形態及分布進而提升合金的韌性，另外利用Si 原子在α-Al 中過飽和的溶解也可以起到一定的固溶強化作用。但是傳統的熱處理工藝往往需要在鑄件冷卻后再次加熱至固溶處理溫度，隨后快速冷卻，兩次降溫的過程不僅耗時而且耗能[6]。本文研究利用鑄造余溫進行固溶處理的工藝，以求在一次降溫過程中實現鑄造和熱處理工藝的一體化[7-10]，并獲得較為理想的組織和性能。

1 試驗材料與方法

試驗采用的合金為商用A356 合金，其成分含量見表1。

表1 A356 鋁合金的化學成分 w/%

試樣在石墨坩堝中經實驗用井式爐加熱至650℃，加入0.5%的C2Cl6 進行精煉，靜置10min后澆注至鋼制模具中，隨后分三組進行：（1）在鋼模中待合金凝固，利用工業用紅外測溫儀測到鑄件表面溫度為540℃時迅速取出淬入水中，即未經保溫鑄造余溫固溶處理；（2）在鋼模中待合金凝固，測得表面溫度為540℃時再次放入爐溫為540℃的箱式爐中，保溫4h，即保溫4h 鑄造余溫固溶處理；（3）在鋼模中冷卻至室溫，然后再次加熱至540℃，保溫4h，即常規固溶處理。三種熱處理工藝見圖1 所示。

圖1 三種固溶處理工藝圖

2 試驗結果及討論

2.1 鑄造余溫固溶處理對合金組織及硬度的影響

圖2 為兩種鑄造余溫固溶處理條件下A356合金的光學顯微組織圖像，兩種固溶處理溫度均為540℃，其中一種為未經保溫鑄造余溫固溶處理，另一種為保溫4h 鑄造余溫固溶處理。合金的基體為α-Al 組織，在α-Al 基體的晶界處存在共晶組織。

從圖2 可見，相對于鑄態組織，未經保溫鑄造余溫固溶處理的合金組織中，共晶硅形態從不規則的針狀轉變為粒狀，且組織細小，這是因為鑄件凝固后在水冷的強冷卻作用下抑制了共晶硅的小平面生長機制導致的。而經過4h 的保溫后的合金組織中，共晶硅雖然球化較好（圖2e），但顆粒亦發生奧斯瓦爾德熟化而明顯粗化。對合金的硬度測試顯示，鑄態的硬度為HRB30，而未經保溫鑄造余溫固溶處理的硬度為HRB39，經過4h 的保溫后的合金硬度為HRB42。硬度值的提升表明，經固溶處理后，合金元素的充分溶入是提升A356 合金硬度的有效途徑。

圖2 A356 合金的鑄態及鑄造余溫固溶處理后的組織

2.2 鑄造余溫固溶處理與常規固溶處理比較

鑄件在鋼模中冷卻至室溫，然后再次加熱至540℃，保溫4h 即常規固溶處理，其組織如圖3 所示。

圖3 A356 合金常規固溶處理的組織

經過540℃固溶處理4h，室溫下在水中淬火，發現相比鑄態組織，合金組織中共晶硅相發生了明顯的粗化和長大，這與保溫4h 鑄造余溫固溶處理的結果比較接近，只是其顆粒長大程度更高，整體上不如保溫4h 鑄造余溫固溶處理的合金組織。對合金的硬度測試，常規固溶處理的合金硬度為HRB37。考慮到兩次升溫過程更多的工序和能源消耗，保溫4h 鑄造余溫固溶處理的工藝優越性明顯。

3 結論

（1）未經保溫的鑄造余溫固溶處理可以一定程度上細化共晶硅組織，且有一定硬度提升。

（2）保溫4h 的鑄造余溫固溶處理合金組織及硬度測試均優于常規固溶處理，且工序簡單，具有一定的工藝優勢。