铝硅合金的铸态时效与快速固溶时效硬化

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1、摘要本文利用透射电子显微镜(TEM)、扫描电镜(SEM)、差热扫描量热仪(DSC)和显微硬度测定仪等测试手段，研究了铸造A1．si基合金的强化固溶处理，主要内容包括；铸造AI-Si-Cu—Mg合金的分级固溶处理；铸造Al-Si—Mg和A1．Si—Cu-M2合金的时效析出行为和快速时效硬化；铸造A1．Si．Mg合金的铸态时效硬化行为。建立了具有棒状析出相的可热处理强化铝合金时效析出硬化模型，以用来优化合金的时效工艺参数。铸造Al—si．Cu—Mg台金进行固溶处理时，随着固溶温度的提高，使含强化元素Mg和／或Cu的金属问化合物的溶解所需保温时间缩短。但是，根据平

2、衡固溶处理规范，固溶保温温度应低于固相线温度或共晶相熔点，以防止局部组织熔化。对Al一11Si—xCu．0．4Mg合金的研究结果显示：随着Cu含量增加，共晶相QfAI)+Si的熔化温度逐渐降低，当Cu含量大于2％时，铸态组织中存在较多的三元共晶相和四元共晶相，其熔点分别为525℃和507℃。为提高强化元素的溶解速度，避免局部组织熔化，研究了分级固溶处理工艺，即先在平衡固溶温度保温一段时间再升高到较高温度进行第二阶段保温。研究发现：对Al一1lSi．4Cu．0．4Mg合金金属型试样采用分级固溶处理时，Sr变质和未变质的合金试样分别需要在平衡固溶温度保温10h和

3、12h再升温至较高温度进行第二阶段保温，第二阶段的最高固溶温度不能超过520℃，才能保证不发生局部熔化。铸造A1．Si合金的时效析出硬化行为与合金成分密切相关，并受合金组织的影响。对添加Mg或cu单独强化的铸造Al—Si．Mg和A卜Si—cu合金时效析出硬化行为的研究结果表明：与元素Mg相比，Cu对铸造A1．si合金的时效硬化作用较小，加入O．4％Mg对AI—si合金的时效硬化比加入3％Cu更为有效；铸造Al—Si．Mg合金160℃峰值对效硬化相是与基体共格的13”相，而铸造A1．si—cu合金t60℃峰值时效硬化相是沿位错线析出的与基体具有半共格关系的o’

4、相。对于添加Mg和Cu共同强化的铸造A1．11Si—xCu-0．4Mg合金时效析出硬化行为的研究结果表明：当AI一11Si．0．4Mg合金中再添加Cu强化时，主要是增大了合金的固溶强化效果，加入1％Cu后合金的时效硬化效应(△HV。。)没有增大反而有所降低，只有当Cu的加入量大于2％时，时效硬化效应才有所增加；铸造A1．1ISi．1Cu一0．4Mg合金160℃峰值时效硬化相是与基体共格的四元Q”相，随着cu含量的增加，o7相的析出驱动力增大，Al—llSi-3Cu．0．4Mg台金的160℃峰值时效硬化是Q”相和e7相共同析出对基体的硬化。根据会金在不冠时效温

5、度下硬化曲线及时效组织分析，可以分别得到该合金的时效温度—保温时间一合金硬度图(TTP图)及时效温度一保温时间一组织转变图(订T图)。根据山东大学博士学位论文一铝硅合金的铸态时效与快速固溶时效硬化A1．1lsi．0．4Mg合金的TTP和T11图提出了快速时效硬化工艺：160℃保温200rain再升温至200℃保温30min。快速时效析出相是与a(A1)基体共格的13”相，合金经快速时效后达到的硬度值为11lHV，与160℃长时间保温时效达到的硬度值相当，而所需时效时间还不到160℃时效所需时效时间的四分之一。对比分析AI．11Si．3Cu-0．4Mg合金的T

6、TP和r丌图：合金在160～200℃温度范围内保温时效均能达到最大时效硬化峰值141HV，200℃时效所需保温时间只有160。C时效所需保温时间的十分之一，160℃--,200℃峰值时效强化均是共格Q”相和半共格o’相的共同析出强化；合金260℃保温时效达到的硬度峰值为133HV，所需保温时间仅为10min，260℃峰值时效析出相主要是半共格Q’和0’相，Q”相的体积分数较少，大量Q”相被半共格Q’相替代。由此提出了A1．1lSi，3Cu-0．4Mg合金高温短时时效的快速时效硬化工艺。A1．11Si．0．3Mg合金铸态试样160℃时效10h硬度值约为88HV

7、，约达到T6处理硬度值的85％。研究了具有不同冷却速度的金属型和砂型试样的铸态时效硬化效果，结果表明：铸态时效硬化效果受铸件冷却速度的影响很小。铸态时效硬化是13”和B’相的共同析出硬化，同时能保持元素si对a(A1)的固溶强化效应。微量元素Sn的加入使A1．Si．Mg合金的铸态时效硬化效果增大，但达到硬化峰值所需时效时间增加。微量元素Be的加入不但使铸态时效硬化效果增大，而且使铸态时效硬化速度加快。微量元素Cd、In的加入也能提高A1．Si．Mg合金的铸态时效硬化效果，但晶粒细化荆的加入对铸态时效硬化效果影响很小。元素Sn和Be的加入没有改变时效硬化相的析

8、出方式，只是增大了硬化相的形核密度，而且元素Be的影