间断时效工艺对A356铝合金力学性能及微观组织的影响

摘要：研究了A356铝合金在不同时效工艺下的力学性能及微观组织。结果表明：A356铝合金在间断时效工艺(T6／6)下比传统T6处理工艺时的抗拉强度提高11％，硬度提高了12％，断后伸长率提高40％；合金中共晶硅球化、细小且分布更加均匀。

关键词：A356合金；热处理；间断时效；微观组织

中图分类号：TG146．2 1 文献标识码：A 文章编号：1001-4977(2005)08-0791-03

YAO Xiu-jun，BIAN Xiu-fang，YIN Kui-bo

(Key Lab of Liquid Structures and Heredity of Materials，Shandong University，Ji’nan 250061，Shandong，China)

Abstract：Various ageing tempers on mechanical properties and microstructures of A356 alloy were investigated．The experiment results showed as the following：the ultimate tensile strength of A356 alloy in interrupted ageing is increased by about 11％ than those in T6 temper。the hardness isimproved by 12％ ，and the extension rate is increased by about 40％ ：the small and sphericaleutectic silicon particles are distributed more evenly．

Keywords：A356 alloy；heat treatment：interrupted ageing；microstructures

铸造A356合金具有较高的热处理强化效果，有良好的力学性能和抗蚀性能，其流动性、填充性好，被广泛用于飞机、轮船及汽车上的某些高要求的复杂铸件。将铸件进行传统T6处理可提高合金的强度和硬度。影响合金时效硬化效果的因素很多，例如强化元素含量，各种铸造及热处理工艺参数等。铸造Al-Si基合金经过固溶淬火处理不但得到过饱和的α(A1)同溶体基体，同时共晶si相得到球化，从而使合金韧度提高，称为“热孕育”^【1】。提高同溶温度可以缩短达到最大固溶效果所需保温时间，但固溶温度过高或保温时间过长使Si相粗化。人工时效温度越高，达到时效硬化峰值所需时效时间越短，但时效峰值硬度降低^【2-4】。淬火到人工时效的时间间隔对随后进行的人工时效效果也具有重要的影响^【5】。本文的目的在于探索特殊的热处理工艺对A356合金力学性能影响，并将建立其力学性能和微观组织的关系。

1 试验材料和方法

采用工业高纯铝、工业硅、Al-l0％Mg、Al-20％Ti等中间合金。预先配制中间合金，然后在中频感应炉中熔炼合金并搅拌，用c2cl6 进行精炼除气，扒渣后浇

注。所得合金成分：w(Si)=7％、w(Mg)=0．4％ 、w(Ti)= 0．2％ ，余量为Al。

在预热的金属型模具中浇注三组标准的拉伸力学试棒，一组不进行热处理，另外两组放入测量精度为±3℃箱式高温电阻炉中，分别进行传统T6和T6／6热处理(见图1)。其中A356铝合金T6热处理采取最佳工艺参数：固溶处理535℃／10h，淬火延迟时间小于10 S，时效处理l65℃／5h，然后空冷^【6】。T6／6处理分为三个阶段：高温时效强化→低温度的回归处理→较高温度下再时效。经过大量试验确定T_a、T_b 的温度(表1)。

标准的拉伸力学试样在CMT5l05微机控制、电子万能实验机上做力学性能检测。布氏硬度试样的尺寸为Φl2 mm x 5 mm，压头为Φ5mm，载荷l000kg，保压时间30S，取6个测点的平均值。取自中部截面处的金相试样经粗磨、细磨和研磨抛光后，在HITACHIS-570光学显微镜下观察其微观组织结构。

图l 间断时效(T6／6)示意图

Fig．I Schematic representation of interrupted ageing tempers

表1 不同的热处理状态

2 试验结果及讨论

2．1 间断时效制度下A356合金的力学性能

铸造A356合金中的主要时效脱溶相为B序列脱溶相：

αsss→GPzone→β” →β” →βphase(Mg₂Si)

时效强化是铝合金的主要强化手段，形成强化的原因一般可用位错理论解释。传统T6热处理的铝合金组织中，GP区富集了大量的Mg、Si原子，引起晶格畸变，Mg、Si原子继续富集并有序化，在晶界上或螺旋位错上直接沉淀出来，形成β”相，阻碍位错运动，其表现为强度和硬度较高^{【7】” 相基础上Mg、Si原子继续富集而形成的，析出更多的β(Mg₂si)强化相，使强度和硬度达到更高的水平。}。新工艺铝合金组织中的β相，可视为是在β

本试验中A356铝合金在未经热处理时，力学性能很差；同成分的合金经过T6处理后，合金的抗拉强度、断后伸长率和硬度等力学性能大幅提高；而相同成分A356合金经过问断时效后，材料的力学性能达到了更高的水平(如表2)。

表2 不同试样的力学性能

(1)抗拉强度δ_b高达335.4 MPa，比未热处理时提高76.2％，比经过传统T6处理提高11.3％。

(2)断后伸长率δ达到7％， 比传统T6处理提高了40％。

(3)布氏硬度为93.3，比未热处理时提高29％ ，同时比传统T6处理的合金硬度提高近12％。

2．2 间断时效制度下A356铝合金的微观组织

A356铝合金铸态、传统T6热处理以及T6／6热处理后的金相组织分别见图2和图3。

图2 A356合金铸态显微组织

Fig．2 Microstructures ofaboriginality ofA356 alloy

(a)T6热处理

(b)T6／6热处理

图3 不同时效处理后A356铝合金的显微组织

Fig．3 Microstructures ofA356 alloy after diferent ageing treatment

A356合金为A1-Si系多元合金， 由于含硅量较高，A1-Si共晶相以粗大的针状晶结晶，降低了力学性能，合金塑性很低，所以需要经过热处理使共晶硅由粗针状细化，从而改善合金的力学性能。在未良好热处理的A356铝合金中，共晶硅相在初生α枝晶之间呈粗大长针状生长，且分布很不均匀(图2)，严重影响了合金的力学性能^【8】。

A356铝合金热处理的目的是：在固溶阶段充分溶解在凝同过程中形成的Mg₂Si相，使Mg和Si等最大限度溶入固溶体中，以便在随后的时效过程中非平衡析出大量细小的Mg₂Si相；使铸件组织均匀化，减少合金元素的微观偏析，克服在凝固过程中形成的合金成分的不均匀性；更重要的是改善其中共晶硅相的形貌、大小和分布，使共晶硅球化、细小和均匀分布^【9】。本试验中A356铝合金经T6／6处理比传统T6处理共晶硅更加细小、分布也更加均匀(图3b)，从而提高合金的力学性能。

铝合金的时效硬化是一个很复杂的过程，决定于合金的组成、时效工艺。目前普遍认为时效硬化是溶质原子偏聚形成硬化区的结果。A356铝合金的金相组织是由球状的基体组织(α-Al)和包围在基体组织周围的共晶组织(主要是α-Al β-Si)组成。在传统T6热处理中，基体组织除了发生长大外，在形态和组织上没发生变化，而共晶组织则发生了较大的变化。从图中可知，共晶组织由白色的α-Al和黑色的块状组织组成，块状组织所占比例较大且不均匀的分布在共晶组织中。T6／6处理分为三个阶段：高温时效强化→低温度的回归处理→较高温度下再时效。第一阶段高温时效强化作用与传统T6处理相同，析出强化相； 由于人工时效温度越高，达到时效硬化峰值所需时效时间越短，但时效峰值硬度降低；第二阶段时效制度在较低的温度下进行对合金回归处理，防止强化相在长时间高温时效下粗大，同时为下一步时效准备；而第三阶段时效制度在较高温下进行，其目的是更多的析出质点，析出质点更细小，析出质点间的距离更小、更均匀。第三阶段时效是利用第二阶段时效后合金中还有一定的固溶饱和度来进行时效强化的补充，该第三阶段时效完全是前两级时效的补充。经过T6／6处理以后，白色的α-Al变的更为细小，块状组织仍然存在且比例有所下降，但分布比原始态更均匀些。过饱和的基体中不断析出弥散的强化相，使其强度不断上升。

3 结论

(1)A356铝合金在间断时效(T6／6)处理后抗拉强度δ_b高达334.5 MPa，比T6处理提高11.3％；断后伸长率达到7％ ，提高了40％；布氏硬度为93.3，比T6处理的合金硬度提高近12％。

(2)A356铝合金经过间断时效(T6／6)处理后，共晶硅颗粒得到细化、球化和分布更加均匀。