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不同热处理对ADC12压铸铝合金组织和力学性能的影响
发布日期:2017-06-22     来源:第一压铸     浏览次数:
核心提示:一般的压铸铝合在热处理过程中 常常会产生鼓泡现象,从而形成缺陷。而通过一定的 合金元素配比和适当的热处理工艺可避免该缺陷的产 生,并提高合金的组织性能[5]。

高压铸造铝合金因其具有较高的比强度、 抗腐 蚀性能和加工性能而广泛应用于航空航天、 汽车船 舶和电器工业等领域[1-2]。 目前工业用压铸铝合金主 要有 Al-Si、Al-Mg、Al-Si-Cu、Al-Si-Mg 等系列。 作为 Al-Si 系铸造铝合金的一种,ADC12 铝合金在减小质 量、 提高燃油经济性等方面在汽车行业得到认可[3-4]。 但随着工业技术的发展, 对压铸铝合金的性能也提 出了更高的要求。 一般的压铸铝合在热处理过程中 常常会产生鼓泡现象,从而形成缺陷。而通过一定的 合金元素配比和适当的热处理工艺可避免该缺陷的产 生,并提高合金的组织性能[5]。 因此,本文以 ADC12 压 铸铝合金成分为基础, 加入额外的 2%与 4%Cu,并 进行不同的热处理工艺研究, 探讨铝合金在无鼓泡 缺陷时最佳的固溶处理温度、时间以及组织性能特点, 以期为高性能的压铸铝合金实际生产提供依据。

1 实验方法与过程

本文主要以 ADC12 压铸铝合金 为 实 验 材 料 , 其化学成分如表 1 所示。 先采用砂轮将铸件进行粗打 磨,然后采用细砂纸将表面打磨干净,并采用线切割将 其加工成尺寸为80mm×20mm×2mm 的试件。 为了探究其内析出物的固溶与析出行为,另配制 ADC12+2% Cu 与 ADC12+4%Cu 两种合金,同时进行不同的热 处理工艺研究。 合金制备设备主要为中频感应熔炼 炉、保护箱式电炉、鼓风干燥箱等。

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热处理过程: 将压铸铝合金 ADC12、ADC12+2% Cu 与 ADC12+4%Cu 三种铝合金进行 460~490 ℃ 固溶 0.25~1h 的处理,水淬后将试件放于油槽中进 行恒温时效处理,时效处理温度为 175℃,最后对试 件进行组织性能测试。

组织性能测试过程: 铸件经不同固溶处理后, 先以肉眼观察表面是否有鼓泡现象发生, 然后采用 碳化硅砂纸将热处理后的试件表面打磨干净, 并用 氧化铝粉抛光, 采用 Nikon-Optiphot 光学显微镜进 行金相组织观察。 将铸件切割成 2mm 后的小试样, 采用 WE-30 液压式万能拉伸实验机、洛氏硬度仪分 别测定试样的拉伸强度和硬度,并进行对比分析。

2 结果与讨论

2.1 组织结构观察与分析

图 1 为 ADC12 铝合金经压力铸造所得到的板 状铸件的光学显微组织。由微观结构可看出,铝合金 的铸造组织主要由初晶树枝状 α 相结晶及共晶 α+ β 层状结构所组成。 其中粗大的 α1-Al 是熔体在压 室中受激冷形成的, 细小的 α2-Al 是金属液在模具 空腔中受高压形成的,所以较为细小[6]。 压力铸造是 在高温高压下进行的, 金属液在极短的时间内填充 整个模具型腔, 凝固成型过程中熔体具有较大的过 冷度。 因此,相对具有较为细密的结构组织。

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压铸铝合金在热处理过程中(高温时)常常会产 生鼓泡现象,此时材料强度大幅度下降,铸件内近表 面层的压缩气孔得以自由膨胀, 从而形成缺陷。 因 此, 分析 ADC12 铝合金在热处理过程中表面鼓泡 的温度与时间极其重要。 图 2 为 ADC12 压铸铝合 金在 460~560℃高温固溶 1h 处理后的宏观表面形 貌,圆圈标记为压铸件发生表面鼓泡现象的位置。 由图 可知, 压铸件经 460℃/1h 热处理后并无表面鼓泡现 象,而 490℃以上温度固溶 1 h 后,则观察到表面鼓 泡现象。 进一步观察比较压铸件在 460~560℃不同 固溶后的近表层位置金相组织,如图 3 所示。从图中 可看出,在 490℃以上固溶处理 1 h,均可观察到压 铸件表面有鼓泡产生,并伴随有鼓胀气孔,当固溶温度越高时,其表面鼓泡现象越明显,膨胀孔洞越大。 当热处理条件为 460℃/1h, 则试片表面不会起泡, 内部也不会出现膨胀的孔洞组织。

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2.2 不同工艺热处理的合金硬度分析

由于压铸铝合金在热处理过程中常常产生鼓泡 现象, 因此本文通过加入额外的 2%与 4%Cu 元素 进行成分微调(形成 Al2CuMg 析出相),在不降低材 料的力学性能的前提下,探究不同热处理工艺下的组 织性能特点以及是否有助于避免鼓泡现象的产生。

图 4 为不含 Cu 的 ADC12 铝合金经不 同固溶 (460℃/1 h、480℃/1 h、490℃/1 h 及 520℃/1 h)处理 后 175℃时效处理的硬度曲线图。从图可知,ADC12 铝合金在约 10h 达到峰时效。 以 520℃/1h 固溶的 硬度升高作为比较基准,则 490℃/1 h、480℃/1 h 及 460 ℃/1h 固 溶 处 理 的 峰 值 硬 度 升 高 分 别 为 72%、 39%及 10%。 此结果表示在 460~520℃,随固溶处 理温度下降, ADC12 铝合金的固溶效果也会降低。

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固溶处理温度过高产生鼓泡现象,处理温度过低,材 料力学性能较差。因此,合理的热处理工艺和合金成 分对于提升压铸铝合金的性能显得尤为重要。

图 5 为 ADC12 铝合金添加 2%Cu 后经不同固 溶(460℃/1 h、480℃/1 h、490℃/1 h 及 520℃/1 h)处 理后的 175℃时效硬度曲线。 从图中可得出在 175 ℃时效下 ADC12+2%Cu 铝合金约在 12h 达到峰时 效。 以 520℃/1h 固溶的峰值硬度升高作为比较基 准, 则 490℃/1 h、480℃/1 h 及 460℃/1 h 的固溶处 理的硬度分别升高 83%、82%及 66%。 在 460~520 ℃,随固溶处理温度下降,ADC12+2% Cu 铝合金的 固溶效果与后续析出硬化能力缓慢减小。 添加 4% Cu 后的 ADC12 铝合金经不同固溶(460℃/1 h、480 ℃/1h、490℃/1h 及 520℃/1h)处理后 175℃时效硬度曲线如图 6 所示。同样以 520℃/1h 固溶的峰值硬 度升高作为 比较基准, 则 490 ℃/1 h、480 ℃/1 h 及 460℃/1h 的固溶处理的硬度升高分别为 85%、79% 及 68%。 此效果与 ADC12+2%Cu铝合金相似。

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由上述实验结果可知, 当 ADC12 铝合金内 Cu 含量增加时, 其在 460~520℃固溶处理的硬度增 加。 为了分析固溶处理参数中的时间对后续时效硬 化效果的影响,对 ADC12、ADC12+2% Cu、ADC12+ 4%Cu 三种铝合金于 460℃和 490℃两种温度进行 长短不同时间的固溶处理,以比较其对后续时效硬化 效果的影响。 所采用的固溶处理工艺为:460℃/0.25 h、460℃/1h、490℃/0.25h 及 490℃/1h。 三种铝合金 经上述固溶 处理后 175 ℃ 时 效曲线分别 如图 7 所 示。 从图中可得出,在相同的固溶温度下进行 0.25h 与 1h 的固溶处理,两者的时效行为非常相似,其时 效曲线也近乎重叠。由此可知,此三种铝合金在固溶 时间为 0.25h 与 1h 时的硬化效果是基本相同的。因 此,将固溶时间由 1 h 缩短至 0.25 h,仍可达到相同 的后续时效硬化效果。

2.3 强度分析

压铸铝合金在高温处理时所发生的表面鼓泡现 象与压铸件的材料高温强度有密切关系。 为了了解 铝合金材料在鼓泡时的强度与热处理工艺之间的关 系, 对 ADC12、ADC12+2% Cu、ADC12+4%Cu 三种 铝 合 金 经 过 490 ℃/0.25 h、490 ℃/1 h、520 ℃/0.25 h 及 520℃/1h 热处理后的试样进行拉伸实验,以获得 固溶处理时材料的高温强度数据,结果如图 8 所示。

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从图可得出,三种合金的强度均随固溶温度与时间的 增加而呈现下降趋势。 当固溶条件相同时,随着合金内 Cu 含量的增加,其高温强度也会降低,这主要是因为 含 铜 铝 合 金 内 Al-Mg2Si 的 共 晶 温 度 为 595℃ , 而 Al-Cu 的共晶温度 为 548 ℃,由 于 Al2Cu(Mg)相 回 溶温度较低, 材料因原子扩散造成软化的温度也较 低,因此造成含 Cu 铝合金高温抗拉强度的下降。 将 ADC12 铝合金的高温强度与压铸件鼓泡现象进行 对比可发现, 当铝合金的高温强度大于 12.54 MPa 时, 不会发生表面鼓泡缺陷 , 但当高温 强度低于 12.54MPa 时,材料发生表面鼓泡现象。因此,只要固溶处理时材料的高温强度大于 12.54MPa,就可避免 表面鼓泡现象的发生。

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3 结论

(1) 避免 ADC12 压铸铝合金在高温热处理时 发生表面鼓泡缺陷的温度与时间上限为 490℃/0.25 h, 在更高温度或更长的时间条件下进行热处理,则 会产生表面鼓泡现象。

(2) 在 ADC12 压铸铝合金内添加 Cu 元素,并 在 460~490℃进行热处理会使得铝合金的硬度大 幅度提升,可改善由于温度过高而引起的鼓泡缺陷, 但其强度会随着 Cu 含量的增加而下降。

(3) 压铸铝合金 ADC12 在固溶处理时, 其高 温强度会随固溶温度与时间的增加而呈下降趋势。 ADC12 铝 合 金 固 溶 处 理 时 材 料 的 高 温 强 度 大 于 12.54MPa,就可避免表面鼓泡现象的发生。

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