【技术】A380铝合金液态与半固态压铸件热处理前后组织性能研究

核心提示：对A380铝合金液态与半固态压铸成形件在压铸态和T6热处理态下的力学性能与微观组织进行了研究。力学性能测试表明：两种不同成形方法所得成形件在压铸态时强度相差无几，但半固态成形件的塑性几乎是液态成形件的2倍。经过同样的T6热处理后，半周态压铸件的抗拉强度有所提高，液态压铸件的抗拉强度却下降很大。伸长率均有所下降，但两者变化的幅度不同，液态压铸件的伸长率下降更多。与液态压铸成形件相比，半固态压铸成形件可以获得更佳的综合力学性能。从微观角度解释了两种不同成形方法产生这一性能差异的内在原因。

 

从20世纪70年代金属半固态加工技术问世以来，铝合金半周态加工技术一直是近年来金属加工技术研究的热点。现有的铝合金成形工艺主要有传统液态压铸、半固态压铸以及固态下的锻造、挤压等。半同态压铸成形与液态压铸成形的最大差别在于：前者用于压铸的坯料是具有一定固液比的浆料．而后者是纯液态。国内对液态压铸成形的研究已经趋于成熟。有关半固态成形技术．尤其是半固态成形件热处理的文献不多，这方面的研究也较少。国内上海大学对半同态连铸坯料的热处理进行了一些研究并取得了一些成就。本文对A380铝合金半固态压铸件与液态压铸件热处理前后的组织性能进行了探讨。


1 实验与方法
实验用A380铝合金(YL112)的成分(质量分数，％)为：3.16Cu，8.47Si，0.093 Mg，1.07 Fe，Ni<O.2，0.278 Mn，1.58Zn。余量为AL，将A380铝合金融化。分别进行液态压铸及半固态压铸。二者的压射比压及压铸速度相同，所用压铸模具如图1所示(一模四件)。成形件为直径6mm的拉伸试件。试件的热处理工艺为：485℃x2h水冷（水温50～80℃)+170℃x6h空冷。经机械加工去除毛坯表面氧化皮及分型面处的毛刺飞边后做成标距为60mm的拉伸试样进行拉伸试验，加载速度为50N／s。每种成形工艺测定6个试样，取其平均值。分别从压铸态和热处理态的相同部位取样做成金相试样，经抛光、腐蚀蚀后，在金相显微镜下观看其组织。
 

2 实验结果及讨论

2.1 热处理前力学性能

图2给出了所测两种成形工艺压铸件铸态6个试样的抗拉强度和伸长率的最大值及平均值。可看出，半固态压铸件与液态压铸件相比，其抗拉强度的最大值提高了2.48％，平均值提高了3.9％；其伸长率的最大值提高了142.5％。平均值提高了166.2％。
 

液态压铸成形时，由于液态粘度较小，流动速率较大。易以紊流的流动方式成形，因此成形件易存在孑L洞、疏松、偏析等缺陷；而半固态成形时，由于存在一定量的固相．因此粘度较大，流动速率较小．易以层流的流动方式成形，因此组织更致密、均匀；但由于在半固态成形前，已经存在一定比例的固相(主要是基体α—AL)，在随后的压铸过程中，晶粒进一步长大．所以它的基体组织晶粒较大。而液态压铸成形时坯料处于液态，由于过冷度大，形核率较大．因此基体的晶粒较细。所以液态压铸件的抗拉强度和半固态压铸件相差无几。

2.2热处理后力学性能

图3给出了所测两种成形工艺压铸件T6热处理之后6个试样的抗拉强度和伸长率的最大值及平均值。可看出，半固态压铸件经T6热处理之后。其抗拉强度的最大值及平均值分别达到334MPa和321 MPa，强度几乎可以和锻铝相媲美，比其铸态平均抗拉强度值提高了3％；而液态压铸件经T6热处理之后其抗拉强度最大值和平均值则分别下降到287MPa和236MPa．平均抗拉强度下降了21.3％。在经过T6热处理之后，半固态压铸件与液态压铸件的伸长率均有所降低，但半固态压铸件与液态压铸件相比，伸长率的降低幅度较小。液态压铸件的伸长率降低了59.2％，而半固态压铸件的伸长率只降低了34.4％。

液态压铸过程中，金属液容易卷进气体，从而使成形后零件内产生气孔。这些气孔在零件进行热处理时膨胀导致气孔增大，降低了零件的性能。但半固态压铸的成形温度在液相线温度以下，比液态成形时温度低几十度，零件成形不易裹气，孔洞个数少，成形零件的组织致密。在热处理时。也不会导致气孔膨胀，可以进行热处理改善材料的性能。经固溶处理后，低溶解度的元素由共晶组织中溶入基体以及共晶组织中的α-AL与基体合并长大，在随后的时效过程中析出了弥散细小的强化相Mg2Si，因此强度明显得到提高。伸长率在热处理后降低是因为随着共晶组织中AL、Mg及Si等元素的不断溶入基体以及第二相的不断析出，使基体与基体以及基体与第二相的晶界变得不连续。造成在拉伸时裂纹源不断增多，因此在热处理后韧性一般都降低。从压铸件热处理之后的显微组织中也可看出：半固态压铸和液态压铸相比。在热处理过程中。其基体组织不象液态成形时那样，呈现明显的短程树枝晶。相反，其基体组织变得更加圆整。由于半固态成形件具有更均匀的组织，所以沿着晶界析出的强化相分布更均匀，因此与液态成形件相比，伸长率降低的幅度较小。
 

2.3显微组织

2.3.1液态压铸件与半固态压铸件的组织比较

图4(a)、(b)是未热处理的液态压铸件与半固态压铸件的显微组织。液态压铸件初生α-AL的典型形态为细小的树枝晶。观察发现，在整个铸件断面上晶粒尺寸分布很不均匀，靠近表面部位其初生α-AL细小(急冷层组织)；而中心部位其初生α—AL比较粗大。半固态压铸件绝大部分的初生α-AL为近球状或非枝晶的节杆状。基体组织晶粒较大，分布较均匀，并且在共晶组织中存在着少数细小的α2-AL，其形态呈蔷薇状，但数目较少。液态压铸件中细小的树枝晶组织是金属液在金属模内快速凝同的结果。球状或节杆状α-AL相组织为明显的半固态成形组织。液态压铸件在其不同部位均有较多的微孔洞，其孔漏尺寸最大的约为50μm，小的为10～20μm。这些微小孔洞是液体金属高速充型时卷入气体而形成的。半固态压铸件组织致密。孔漏数量少且较小。由此说明半固态充型时，半固态金属流动平稳，卷入气体少。

2.3.2液态压铸件和半固态压铸件热处理后组织

图5是热处理后的液态压铸件与半同态压铸件的显微组织。热处理对半固态压铸件组织没有明显影响，颗粒状α相形态保持热处理前的球团状和节杆状．共晶组织形态没有变化。因为在485℃同溶处理，材料没有出现熔解。但液态压铸件热处理后基体组织有一定的变化。细小的α树枝晶有聚集长大的倾向。由于细小的α树枝晶是快速凝固的结果，因此是非稳定组织。在485℃固溶处理时，合金系统具有缩小界面面积以降低界面能的自发趋势，其结果是细小的α树枝晶的合并长大。半固态压铸件热处理后组织几乎没有孔洞，但液态压铸件热处理后其所有部位组织中的孔洞尺寸明显变大，最大孔洞尺寸约为200μm，小的为30～50μm。这些孔洞是热处理前组织中的微小孔洞在热处理时的体积膨胀而形成的。由此可以说明半固态压铸件可以进行热处理，而液态压铸l牛不能进行热处理。

3 结论

(1)铝合金半固态压铸件铸态下抗拉强度与液态压铸件相当。但其伸长率却明显优于液态压铸件，所以半固态压铸件综合力学性能优于液态压铸件。

(2)经T6热处理后，半固态压铸件的抗拉强度有所提高，液态压铸件的抗拉强度却下降很大。伸长率均有所下降，但两者变化的幅度不同．液态压铸件的伸长率下降更多。

(3)半固态压铸具有流动平稳，成形件的组织为非树枝晶，并且缺陷少、组织均匀的特点，因此其力学性能好。