不同热处理对ADC12压铸铝合金组织和力学性能的影响

Update Time：2017-07-04 22:56:18　Author：　Source：　Click：

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。