原標(biāo)題:深冷處理對壓鑄鋁硅合金力學(xué)性能與微觀組織的影響

摘 要:借助Image-Pro Plus輔助分析，采用光學(xué)顯微鏡（OM）、掃描電子顯微鏡（SEM）、電子背散射（EBSD）等手段，研究了深冷處理對壓鑄鋁硅合金微觀組織和力學(xué)性能的影響。結(jié)果表明：深冷處理可以有效提升壓鑄鋁硅合金的力學(xué)性能。隨著深冷時(shí)間的延長，深冷處理對合金力學(xué)性能的提升作用為先增加后減小的變化規(guī)律。與鑄態(tài)合金相比，經(jīng)12 h深冷處理后合金的力學(xué)性能獲得最大的提升，抗拉強(qiáng)度為213.2 MPa，提升了15.4%，伸長率為8.65%，提升了36.2%，硬度HV為106.6，提升了18.1%。繼續(xù)延長深冷時(shí)間，α-Al相、共晶Si相等開始緩慢長大，導(dǎo)致力學(xué)性能有所下降。深冷處理可以有效細(xì)化合金的α-Al相，改善共晶Si相和含鐵相的尺寸和形貌，起到了細(xì)化組織和位錯(cuò)強(qiáng)化的作用。

前 言：汽車是能源消費(fèi)大戶，碳排放占比達(dá)13%以上。據(jù)統(tǒng)計(jì)車重每減少100 kg，二氧化碳排放可減少約5g/km；同時(shí)，車重每降低10%，電耗可降低5.5%，續(xù)航里程增加5.5%以及節(jié)約20%的日常損耗成本。因此，減重對汽車工業(yè)的發(fā)展具有非常重要的意義。鋁合金是目前最熱門的輕量化材料，而壓鑄件具有質(zhì)量高、力學(xué)性能好、效率高、適合大批量生產(chǎn)等優(yōu)點(diǎn)，所以鋁合金壓鑄件被廣泛應(yīng)用于汽車車體、輪轂、底盤、防撞梁、電池殼體等。但由于壓鑄工藝的速度快、時(shí)間短，壓鑄型腔內(nèi)的氣體很難在短時(shí)間逸出，從而被卷在鑄件中，導(dǎo)致其進(jìn)行常規(guī)熱處理時(shí)容易產(chǎn)生氣孔缺陷，大大降低了鑄件的力學(xué)性能，限制了壓鑄鋁合金的規(guī)?；瘧?yīng)用。

深冷處理是一種以液氮為介質(zhì)在-130 ℃以下對材料進(jìn)行處理的方法，可以使材料的顯微組織產(chǎn)生變化，進(jìn)而改善材料的力學(xué)性能。目前，深冷處理作為重要的強(qiáng)化手段在鋼鐵材料上已經(jīng)得到了廣泛應(yīng)用。近年來，受全球節(jié)能環(huán)保重視程度的影響，鋁合金材料深冷處理工藝方面的研究儼然成為熱點(diǎn)和焦點(diǎn)問題。李桂榮等分別對鋁基復(fù)合材料、鋁硅合金進(jìn)行深冷處理發(fā)現(xiàn)，深冷處理可以促進(jìn)第二相的析出，通過阻礙位錯(cuò)運(yùn)動以提升材料的力學(xué)性能。吳志生等對5A06鋁合金焊接接頭進(jìn)行深冷處理發(fā)現(xiàn)，深冷處理后焊接接頭組織晶粒得到細(xì)化，孔隙缺陷減少，基體致密度提高。陳鼎等對不同成分的鋁合金進(jìn)行深冷處理提出深冷處理誘發(fā)的體積收縮效應(yīng)對力學(xué)性能的提升起到了重要作用。楊葉等對鋁硅合金進(jìn)行深冷處理發(fā)現(xiàn)經(jīng)過深冷處理可以使組織中富鐵相鈍化，大大減小了對基體的割裂作用，有效地提升了鋁合金的力學(xué)性能。周建忠等對激光噴丸鋁合金進(jìn)行深冷處理發(fā)現(xiàn)，深冷處理可以抑制位錯(cuò)的動態(tài)回復(fù)，在試樣中產(chǎn)生高密度的位錯(cuò)進(jìn)而產(chǎn)生很好的組織強(qiáng)化效果?？傊?，深冷處理對不同成分的鋁合金的強(qiáng)化效果并不相同，強(qiáng)化機(jī)制尚未達(dá)成共識。還有研究將固溶、時(shí)效等傳統(tǒng)熱處理方法與深冷處理復(fù)合使用，發(fā)現(xiàn)二者協(xié)同能夠進(jìn)一步提升鋁合金的力學(xué)性能，但處理工藝更加復(fù)雜、處理時(shí)間較長。目前關(guān)于壓鑄鋁硅合金深冷處理方面的研究較少，深冷時(shí)間對壓鑄鋁硅合金的作用效果、影響規(guī)律尚不明確。

本文以壓鑄鋁硅合金為研究對象，通過對比分析不同時(shí)間深冷處理試樣的力學(xué)性能和微觀組織變化規(guī)律，深入分析了深冷處理對壓鑄鋁硅合金的強(qiáng)化機(jī)理，揭示了提高壓鑄鋁硅合金性能的最佳深冷處理工藝，為進(jìn)一步完善深冷處理在鑄造鋁合金領(lǐng)域的應(yīng)用提供理論基礎(chǔ)。

1、試驗(yàn)材料及方法

試驗(yàn)材料為壓鑄鋁硅合金，用德國布魯克S1-TITAN型手持光譜儀測試其成分如表1所示。試驗(yàn)試樣共分5組，具體處理工藝及試樣編號如表2所示。采用線切割的方法將鑄錠加工成10 mm×10 mm×5 mm的立方體和如圖1所示的拉伸試樣。深冷處理在液氮深冷罐中進(jìn)行。利用MTS-DDL100型電子萬能試驗(yàn)機(jī)測試各組試樣的力學(xué)性能，試驗(yàn)條件：室溫，拉伸速率為1 mm/min，每組試樣測試3次取平均值。利用FM-ARS900型顯微硬度計(jì)測量顯微硬度，每組試樣測試5個(gè)點(diǎn)并取其平均值。

表1 壓鑄鋁硅合金的化學(xué)成分 wB/%

表2 壓鑄鋁硅合金深冷處理工藝方案

圖1 拉伸試樣的形狀及尺寸

金相試樣打磨拋光后用體積分?jǐn)?shù)0.5%的HF試劑對其表面進(jìn)行腐蝕，采用 Observer.Z1m 型Zeiss光學(xué)顯微鏡（OM）、HitachiSU-1510型掃描電子顯微鏡（SEM）和電子背散射（EBSD）對試樣進(jìn)行顯微組織觀察。采用Image-Pro Plus圖像分析軟件對壓鑄鋁硅合金的組成相進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。其中，α-Al相的平均粒徑計(jì)算方法如圖2和公式（1）所示。
計(jì)算方法如公式（1）所示：

式中：Li 是穿過質(zhì)心的直徑尺寸。D為平均粒徑：在任意晶粒中，以2°為間隔穿過晶粒質(zhì)心的90條線段的平均長度。

圖2 平均粒徑的計(jì)算方法示意圖

2、試驗(yàn)結(jié)果

2.1 深冷處理對力學(xué)性能的影響

圖3是不同深冷處理工藝下壓鑄鋁硅合金的力學(xué)性能。鑄態(tài)時(shí)，合金的抗拉強(qiáng)度為184.8 MPa，伸長率為6.35%，硬度為HV 90.3。深冷處理能夠有效提升壓鑄鋁硅合金的力學(xué)性能，經(jīng)不同時(shí)間深冷處理后，合金的力學(xué)性能呈現(xiàn)先增加后降低的變化規(guī)律。當(dāng)深冷處理時(shí)間為12 h時(shí)，合金的力學(xué)性能獲得最大的提升，抗拉強(qiáng)度為213.2 MPa，伸長率為8.65%，硬度為HV106.6。與鑄態(tài)合金性能相比，抗拉強(qiáng)度提升了15.4%，伸長率提升了36.2%，硬度提升了18.1%。繼續(xù)延長深冷處理時(shí)間，雖然合金力學(xué)性能的提升程度逐漸減小，但仍高于鑄態(tài)鋁硅合金的力學(xué)性能。當(dāng)深冷處理時(shí)間為48 h時(shí)，合金的抗拉強(qiáng)度為200.6 MPa，伸長率為7.5%，硬度為HV97.4，已經(jīng)低于深冷處理6 h后合金的力學(xué)性能。從節(jié)能環(huán)保和生產(chǎn)效率的角度出發(fā)，繼續(xù)增加深冷處理時(shí)間以改善壓鑄鋁硅合金的力學(xué)性能意義不大。

圖3 不同深冷處理工藝下壓鑄鋁硅合金的力學(xué)性能

2.2 深冷處理對 α-Al 相的影響

圖4是不同深冷處理工藝下壓鑄鋁硅合金α-Al相的形貌。對于鑄態(tài)壓鑄鋁硅合金，如圖4a所示，α-Al相較為粗大，柱狀晶較多。利用Image-Pro Plus分析測得平均粒徑為27.22 μm。圖4b是深冷處理6 h后的組織，α-Al相得到了細(xì)化且粗大的柱狀晶減少，但仍存在部分團(tuán)聚現(xiàn)象，平均粒徑為24.42 μm。隨著深冷時(shí)間的延長，α-Al相得到進(jìn)一步細(xì)化。當(dāng)深冷時(shí)間為12 h時(shí)，α-Al相最為細(xì)小，平均粒徑為22.41 μm。繼續(xù)增加深冷時(shí)間，與深冷12 h試樣相比，α-Al相平均粒徑略有增加，但其大小仍低于鑄態(tài)合金。總之，深冷處理能夠起到晶粒細(xì)化的作用，減少柱狀晶和α-Al相的團(tuán)聚，促使組織結(jié)構(gòu)分布更加均勻。

圖4 不同深冷處理工藝下壓鑄鋁硅合金α-Al相的組織形貌

2.3 深冷處理對共晶 Si 相的影響

圖5是不同深冷處理工藝下壓鑄鋁硅合金共晶Si相的形貌。鑄態(tài)合金的共晶Si相多為片狀、條狀如圖5a所示。經(jīng)深冷處理后，共晶Si相開始變短、變細(xì)，向顆粒狀轉(zhuǎn)變。當(dāng)深冷時(shí)間為12 h時(shí)，共晶Si相得到顯著細(xì)化，且趨于圓形，如圖5c中箭頭所示。繼續(xù)增加深冷時(shí)間，共晶Si相再次開始緩慢長大，如圖5d和e所示。

圖片圖5 不同深冷處理工藝下壓鑄鋁硅合金共晶Si相的微觀組織

2.4 深冷處理對含鐵相的影響

圖6是鑄態(tài)、深冷12 h態(tài)壓鑄鋁硅合金含鐵相的形貌。鑄態(tài)合金中含有多邊形塊狀的AlFeMnSi相和長針狀的Al5FeSi相，如圖6a所示。經(jīng)深冷處理后，Al5FeSi相發(fā)生收縮鈍化，其輪廓變得圓滑。而棱角分明的AlFeMnSi相同樣趨于圓整化，如圖6b中箭頭所示。經(jīng)過深冷處理，壓鑄鋁硅合金中含鐵相尺寸變小及其形貌的變化大大降低了對鋁基體的割裂作用。

3、分析討論

鋁硅合金在深冷處理作用下產(chǎn)生體積收縮，使得材料內(nèi)部產(chǎn)生微觀應(yīng)力，促使材料發(fā)生塑性變形。圖7為深冷過程產(chǎn)生組織細(xì)化進(jìn)程示意圖。深冷處理前，合金中位錯(cuò)零散分布，密度較低，如圖7a所示；深冷處理開始階段，如圖7b所示，微觀應(yīng)力較小，晶粒內(nèi)部的位錯(cuò)會在局部聚集并形成位錯(cuò)墻；隨著深冷處理的進(jìn)行，應(yīng)力累積增加，位錯(cuò)聚集成為小角度晶界，使得晶粒得到細(xì)化，如圖7c所示；合金中的Si、Fe等溶質(zhì)原子在鋁基體中的溶解度降低，溶質(zhì)原子將向晶界附近位錯(cuò)密集處偏聚。隨著深冷時(shí)間的延長，Si相和富鐵相在晶界處析出，如圖7d所示，這些析出相更為細(xì)小均勻且形貌圓整，釘扎晶界，阻礙位錯(cuò)運(yùn)動，對鋁合金力學(xué)性能的提升具有顯著作用。圖8為鑄態(tài)和深冷12 h態(tài)兩種試樣EBSD晶粒大小分布示意圖。在深冷處理作用下，鋁硅合金確實(shí)產(chǎn)生了許多細(xì)晶組織，如圖中箭頭所示。根據(jù)Hall-Petch公式：

式中：σs 為多晶體的屈服強(qiáng)度；d為晶粒的平均直徑；σ0 為晶內(nèi)對變形的阻力，相當(dāng)于單晶的屈服強(qiáng)度；K為晶界對變形的影響系數(shù)，與晶界結(jié)構(gòu)相關(guān)。由此可知：晶粒越小，屈服強(qiáng)度越大，位錯(cuò)難以運(yùn)動。這是深冷12 h后，合金抗拉強(qiáng)度與塑性均得到提升的主要原因。

圖6 鑄態(tài)和深冷12 h態(tài)壓鑄鋁硅合金含鐵相的組織形貌

圖7 深冷過程晶粒變化示意圖

圖8 鑄態(tài)與深冷12 h后EBSD晶粒尺寸示意圖

4、結(jié)論

（1）深冷處理可以顯著地提升鑄造鋁硅合金的力學(xué)性能。隨著深冷時(shí)間的延長，提升作用呈現(xiàn)先增加后減小的變化規(guī)律。當(dāng)深冷時(shí)間為12 h時(shí)，其提升作用達(dá)到最佳。
（2）與鑄態(tài)合金相比，深冷12h后，壓鑄鋁硅合金的抗拉強(qiáng)度由184.8 MPa變?yōu)?13.2 MPa，提升了15.4%，伸長率由6.35%變?yōu)?.65%，提升了36.2%，硬度由 HV90.3變?yōu)镠V106.6，提升了18.1%。
（3）深冷處理會引起壓鑄鋁硅合金體積收縮產(chǎn)生塑性變形，并降低元素在鋁中的溶解度，導(dǎo)致α-Al相和共晶Si相組織細(xì)化，促使含鐵相形貌變得圓整化，起到了細(xì)晶強(qiáng)化和位錯(cuò)強(qiáng)化的作用。

作者
陶誠 程曉農(nóng) 李志強(qiáng) 許福海 劉光磊 呂鵬
江蘇大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院
陶誠 謝樹寬 匡中華 郭勇
江蘇銘利達(dá)科技有限公司

本文來自：《鑄造》雜志