原標(biāo)題:深冷處理對(duì)壓鑄鋁硅合金力學(xué)性能與微觀(guān)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(duì)壓鑄鋁硅合金微觀(guān)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(zhǎng)，深冷處理對(duì)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(zhǎng)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(zhǎng)深冷時(shí)間，α-Al相、共晶Si相等開(kāi)始緩慢長(zhǎng)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(chē)是能源消費(fèi)大戶(hù)，碳排放占比達(dá)13%以上。據(jù)統(tǒng)計(jì)車(chē)重每減少100 kg，二氧化碳排放可減少約5g/km；同時(shí)，車(chē)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(duì)汽車(chē)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(mén)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(chē)車(chē)體、輪轂、底盤(pán)、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)模化應(yīng)用。

深冷處理是一種以液氮為介質(zhì)在-130 ℃以下對(duì)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(lái)，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?jī)叭怀蔀闊狳c(diǎn)和焦點(diǎn)問(wèn)題。李桂榮等分別對(duì)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(guò)阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)以提升材料的力學(xué)性能。吳志生等對(duì)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(duì)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(duì)力學(xué)性能的提升起到了重要作用。楊葉等對(duì)鋁硅合金進(jìn)行深冷處理發(fā)現(xiàn)經(jīng)過(guò)深冷處理可以使組織中富鐵相鈍化，大大減小了對(duì)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(duì)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(dòng)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罾涮幚韺?duì)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(shí)。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(zhǎng)。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(duì)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(duì)象，通過(guò)對(duì)比分析不同時(shí)間深冷處理試樣的力學(xué)性能和微觀(guān)組織變化規(guī)律，深入分析了深冷處理對(duì)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(guó)布魯克S1-TITAN型手持光譜儀測(cè)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(hào)如表2所示。采用線(xiàn)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(wàn)能試驗(yàn)機(jī)測(cè)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(cè)試3次取平均值。利用FM-ARS900型顯微硬度計(jì)測(cè)量顯微硬度，每組試樣測(cè)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(duì)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(duì)試樣進(jìn)行顯微組織觀(guān)察。采用Image-Pro Plus圖像分析軟件對(duì)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(guò)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(guò)晶粒質(zhì)心的90條線(xiàn)段的平均長(zhǎng)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(duì)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(zhǎng)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(zhǎng)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(zhǎng)率提升了36.2%，硬度提升了18.1%。繼續(xù)延長(zhǎng)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(zhǎng)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(duì) 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(duì)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(cè)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(zhǎng)，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?？傊?，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(duì)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(kāi)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(kāi)始緩慢長(zhǎng)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(guān)組織

2.4 深冷處理對(duì)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(zhǎng)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(guò)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(duì)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(guān)應(yīng)力，促使材料發(fā)生塑性變形。圖7為深冷過(guò)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(kāi)始階段，如圖7b所示，微觀(guān)應(yīng)力較小，晶粒內(nèi)部的位錯(cuò)會(huì)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(zhǎng)，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(dòng)，對(duì)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(duì)變形的阻力，相當(dāng)于單晶的屈服強(qiáng)度；K為晶界對(duì)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(dòng)。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(guò)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(zhǎng)，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(zhǎng)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(huì)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(chéng) 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(chéng) 謝樹(shù)寬 匡中華 郭勇
江蘇銘利達(dá)科技有限公司

本文來(lái)自：《鑄造》雜志