原標題:深冷處理對壓鑄鋁硅合金力學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性能的影響。結果表明：深冷處理可以有效提升壓鑄鋁硅合金的力學性能。隨著深冷時間的延長，深冷處理對合金力學性能的提升作用為先增加后減小的變化規律。與鑄態合金相比，經12 h深冷處理后合金的力學性能獲得最大的提升，抗拉強度為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%。繼續延長深冷時間，α-Al相、共晶Si相等開始緩慢長大，導致力學性能有所下降。深冷處理可以有效細化合金的α-Al相，改善共晶Si相和含鐵相的尺寸和形貌，起到了細化組織和位錯強化的作用。

前 言：汽車是能源消費大戶，碳排放占比達13%以上。據統計車重每減少100 kg，二氧化碳排放可減少約5g/km；同時，車重每降低10%，電耗可降低5.5%，續航里程增加5.5%以及節約20%的日常損耗成本。因此，減重對汽車工業的發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，而壓鑄件具有質量高、力學性能好、效率高、適合大批量生產等優點，所以鋁合金壓鑄件被廣泛應用于汽車車體、輪轂、底盤、防撞梁、電池殼體等。但由于壓鑄工藝的速度快、時間短，壓鑄型腔內的氣體很難在短時間逸出，從而被卷在鑄件中，導致其進行常規熱處理時容易產生氣孔缺陷，大大降低了鑄件的力學性能，限制了壓鑄鋁合金的規模化應用。

深冷處理是一種以液氮為介質在-130 ℃以下對材料進行處理的方法，可以使材料的顯微組織產生變化，進而改善材料的力學性能。目前，深冷處理作為重要的強化手段在鋼鐵材料上已經得到了廣泛應用。近年來，受全球節能環保重視程度的影響，鋁合金材料深冷處理工藝方面的研究儼然成為熱點和焦點問題。李桂榮等分別對鋁基復合材料、鋁硅合金進行深冷處理發現，深冷處理可以促進第二相的析出，通過阻礙位錯運動以提升材料的力學性能。吳志生等對5A06鋁合金焊接接頭進行深冷處理發現，深冷處理后焊接接頭組織晶粒得到細化，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行深冷處理提出深冷處理誘發的體積收縮效應對力學性能的提升起到了重要作用。楊葉等對鋁硅合金進行深冷處理發現經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性能。周建忠等對激光噴丸鋁合金進行深冷處理發現，深冷處理可以抑制位錯的動態回復，在試樣中產生高密度的位錯進而產生很好的組織強化效果。總之，深冷處理對不同成分的鋁合金的強化效果并不相同，強化機制尚未達成共識。還有研究將固溶、時效等傳統熱處理方法與深冷處理復合使用，發現二者協同能夠進一步提升鋁合金的力學性能，但處理工藝更加復雜、處理時間較長。目前關于壓鑄鋁硅合金深冷處理方面的研究較少，深冷時間對壓鑄鋁硅合金的作用效果、影響規律尚不明確。

本文以壓鑄鋁硅合金為研究對象，通過對比分析不同時間深冷處理試樣的力學性能和微觀組織變化規律，深入分析了深冷處理對壓鑄鋁硅合金的強化機理，揭示了提高壓鑄鋁硅合金性能的最佳深冷處理工藝，為進一步完善深冷處理在鑄造鋁合金領域的應用提供理論基礎。

1、試驗材料及方法

試驗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行。利用MTS-DDL100型電子萬能試驗機測試各組試樣的力學性能，試驗條件：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型顯微硬度計測量顯微硬度，每組試樣測試5個點并取其平均值。

表1 壓鑄鋁硅合金的化學成分 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數0.5%的HF試劑對其表面進行腐蝕，采用 Observer.Z1m 型Zeiss光學顯微鏡（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行統計分析。其中，α-Al相的平均粒徑計算方法如圖2和公式（1）所示。
計算方法如公式（1）所示：

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

圖2 平均粒徑的計算方法示意圖

2、試驗結果

2.1 深冷處理對力學性能的影響

圖3是不同深冷處理工藝下壓鑄鋁硅合金的力學性能。鑄態時，合金的抗拉強度為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性能，經不同時間深冷處理后，合金的力學性能呈現先增加后降低的變化規律。當深冷處理時間為12 h時，合金的力學性能獲得最大的提升，抗拉強度為213.2 MPa，伸長率為8.65%，硬度為HV106.6。與鑄態合金性能相比，抗拉強度提升了15.4%，伸長率提升了36.2%，硬度提升了18.1%。繼續延長深冷處理時間，雖然合金力學性能的提升程度逐漸減小，但仍高于鑄態鋁硅合金的力學性能。當深冷處理時間為48 h時，合金的抗拉強度為200.6 MPa，伸長率為7.5%，硬度為HV97.4，已經低于深冷處理6 h后合金的力學性能。從節能環保和生產效率的角度出發，繼續增加深冷處理時間以改善壓鑄鋁硅合金的力學性能意義不大。

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相得到了細化且粗大的柱狀晶減少，但仍存在部分團聚現象，平均粒徑為24.42 μm。隨著深冷時間的延長，α-Al相得到進一步細化。當深冷時間為12 h時，α-Al相最為細小，平均粒徑為22.41 μm。繼續增加深冷時間，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合金。總之，深冷處理能夠起到晶粒細化的作用，減少柱狀晶和α-Al相的團聚，促使組織結構分布更加均勻。

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。鑄態合金的共晶Si相多為片狀、條狀如圖5a所示。經深冷處理后，共晶Si相開始變短、變細，向顆粒狀轉變。當深冷時間為12 h時，共晶Si相得到顯著細化，且趨于圓形，如圖5c中箭頭所示。繼續增加深冷時間，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、深冷12 h態壓鑄鋁硅合金含鐵相的形貌。鑄態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。經深冷處理后，Al5FeSi相發生收縮鈍化，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生體積收縮，使得材料內部產生微觀應力，促使材料發生塑性變形。圖7為深冷過程產生組織細化進程示意圖。深冷處理前，合金中位錯零散分布，密度較低，如圖7a所示；深冷處理開始階段，如圖7b所示，微觀應力較小，晶粒內部的位錯會在局部聚集并形成位錯墻；隨著深冷處理的進行，應力累積增加，位錯聚集成為小角度晶界，使得晶粒得到細化，如圖7c所示；合金中的Si、Fe等溶質原子在鋁基體中的溶解度降低，溶質原子將向晶界附近位錯密集處偏聚。隨著深冷時間的延長，Si相和富鐵相在晶界處析出，如圖7d所示，這些析出相更為細小均勻且形貌圓整，釘扎晶界，阻礙位錯運動，對鋁合金力學性能的提升具有顯著作用。圖8為鑄態和深冷12 h態兩種試樣EBSD晶粒大小分布示意圖。在深冷處理作用下，鋁硅合金確實產生了許多細晶組織，如圖中箭頭所示。根據Hall-Petch公式：

式中：σs 為多晶體的屈服強度；d為晶粒的平均直徑；σ0 為晶內對變形的阻力，相當于單晶的屈服強度；K為晶界對變形的影響系數，與晶界結構相關。由此可知：晶粒越小，屈服強度越大，位錯難以運動。這是深冷12 h后，合金抗拉強度與塑性均得到提升的主要原因。

圖6 鑄態和深冷12 h態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 鑄態與深冷12 h后EBSD晶粒尺寸示意圖

4、結論

（1）深冷處理可以顯著地提升鑄造鋁硅合金的力學性能。隨著深冷時間的延長，提升作用呈現先增加后減小的變化規律。當深冷時間為12 h時，其提升作用達到最佳。
（2）與鑄態合金相比，深冷12h后，壓鑄鋁硅合金的抗拉強度由184.8 MPa變為213.2 MPa，提升了15.4%，伸長率由6.35%變為8.65%，提升了36.2%，硬度由 HV90.3變為HV106.6，提升了18.1%。
（3）深冷處理會引起壓鑄鋁硅合金體積收縮產生塑性變形，并降低元素在鋁中的溶解度，導致α-Al相和共晶Si相組織細化，促使含鐵相形貌變得圓整化，起到了細晶強化和位錯強化的作用。

作者
陶誠 程曉農 李志強 許福海 劉光磊 呂鵬
江蘇大學 材料科學與工程學院
陶誠 謝樹寬 匡中華 郭勇
江蘇銘利達科技有限公司

本文來自：《鑄造》雜志