a356铸造铝合金热处理强化工艺研究

1、A356铸造铝合金热处理强化工艺研word可自由复制编辑摘要现代汽车正朝着轻量化、高速、安全舒适、低成本与节能的方向发展。而目前 满足上 述要求的最有效的途径就减轻汽车自重。铝及其合金加工材料由于具有密度小、比强度高等一系列优良特性成为实现汽车轻量化最理想的首选材料。本文以A356铸造铝合金轮毂为研究对象，利用金相显微技术、扫描电镜、差热 分析及 力学性能测试等手段对合金的各种不同工艺的微观组织与性能进行了全面的测试与分析。通过改变固溶处理工艺参数，研究了固溶处理工艺与合金的力学性能之间的关系。当温度为535 C时，随着保温时间的延长，抗拉强度、硬度及延伸率基本上都是先升后降。当保温时间为3.

2、5? 4.5h时，轮缘的强度、硬度及延伸率才能达到很好的匹配。A356铸造铝合金在545cx3.5 h下进行固溶处理具有较好的综合力学性能，轮缘 抗拉强 度为251MPa,硬度为82HV,延伸率为12%;轮幅抗拉强度为233MPa ,延伸率 为9%故固溶 处理的优先工艺为 545Cx3.5 h。研究了室温停留时间与力学性能之间的关系，结果表明室温停留时间选择在2? 10h范围之内，但不应超过12h0如果从生产周期及成本方面考虑，室温停留2h,合金就能达到预时效的目的，达到强度、硬度与塑性的良好匹配。通过改变时效处理工艺参数，研究了轮缘的时效处理工艺与力学性能之间的关系，结果表明在设定的在三个温

3、度上进行时效处理保温 3h时，合金的综合力学性能 均很好，因此 对A356铝合金进行时效，能够使其达到一个强度、硬度与延伸率均为极值的平衡点。当固溶处理工艺采用 535cx4.5 h时，时效温度为135C时，时效时间至少为3h;当采用优选的固溶工艺545cx3.5 h,时效温度为135C时，则当时效时间为 0.5 h时，即能达到使强度与塑性达到较高的水平。当时效温度升高至145C时，则在保温1h时，即能达到较好的强度与延伸率的配合。比较了固溶处理工艺为 535 Cx4.5h及545x3.5 h两种工艺下合金的力学性能，表明对于A356铸造铝合金，如果在应用时对塑性的要求较高时，则固溶处理可采用

4、工艺word可自由复制编辑535Cx4.5 h;如果对其塑性要求不高，而希望缩短生产周期，提高生产效率时，则建议采用工艺 545x3.5 ho通过对金相组织观察，随着固溶温度和保温时间的增加，a(Al)长大，同时Mg、Si在固溶过程中溶入a(Al)基体中的越多，在随后的时效处理中，非平衡析出大量细小弥散、均匀分布的MgzSi相，随着保温时间的增加，共晶明显减少，Si颗粒聚集 粗化大部分分布在a相中，a相更加圆整，并进一步增大。从而使合金经过热处理后强度、硬度上升，而塑性下降。利用扫描电镜观察了拉伸试样的断口，断口微观形貌表现为典型韧窝断口特征，均为塑性断裂，当固溶时间一定时，保温时间适度，则其

5、韧窝大且深，塑性较好，当保温时间过长，则韧窝较浅，塑性较差。DSC分析了 A356合金的时效析出动力学， 50? 60C内析出GP区，GP区的析出主要 是由空位的团聚所造成的，而与 Mg、Si元素的扩散关系不大。250? 300C范围内析出人相， Mg.Si原子在G. P区富集并有序化，在晶界上或螺旋位错上直 接沉淀出来的。当温度在300C 以上析出与基体完全失去共格的 P相，使合金性能下降。关键词：A356;轮毂；固溶处理；时效处理AbstractAt present , vehicles are developing to be lightweight , high speed , saf

6、ety , comfort , energy-saving and environmental protecting . It is trend to increase the aluminumzation of vehicles because of its lower density , high strength - to-weight ratio and so on.In this paper , the influences of heat treatment on the microstructures and tensile properties of A356 aluminiu

7、m wheel are investigated by lots of analyzing and testing methods such as Optical Microscope (OM), Scanning Electron Microscope (SEM), Differential Scanning Calorimeten ( DSC) and tensile testing .The relations between the solution treatment technology and the mechanical propertiesword可自由复制编辑 are in

8、vestigated by variation of solution treatment parameter . .When the solution temperature is 535 C, the the mechanical properties including the tensile strength , the hardness and the elongation of the alloy rise first, then descend . When the solution time reach to 3.5 ? 4.5 h,the comprehensive prop

9、erties are well matched .The results show that the A356 cast Aluminum alloys have good comprehensive mechanical properties by solution treatment for 3.5 hours at 545 C ,and for the wheel rim the tensile strength is 251 MPa,the hardness is 82HV,and the elongation is 12%; The tensile strength is 233 M

10、Pa, and the elongation is 9% for the wheel breadth.So the technology of 545cA3.5 h is recommended .The relations between the aging time at room temperature and mechanical properties show that the time is suitable within 0 ? 10h, but it cant be over 12 hours . when the time is 2 hours ,the alloys hav

11、e good comprehensive mechanical properties .The relations between the aging heat treatment technology and the mechanical properties are discussed by changing aging technology parameters . The results show that the mechanical properties go beyond the standard by aging treatment for 3 hours at the thr

12、ee temperature being set. So for A356, the tensile strength ,the hardness and the elongation can reach the highest simultaneously by aging treatment .When the solution technology is 535 Cx4.5 h,the aging time is at least for 3h.If the solution technology is 545Ax3.5 h and the aging temperature is 13

13、5A,when the aging time is 0.5 h,the tensile strength and the plastic properties are very good .The time must be prolonged to 2.5 ? 3.5 h.If the aging temperture is 145 0C, when the aging time is 1 h,the comprehensive properties are well matched .So the time will be 1.5 h ? 2.5 h. 一 ，一 ， ， ，一The mech

14、anical properties are compared between solution threatment of 535 Cx4.5hand 545Cx 3.5 h.If the aim is to be good plastical properties , the solution technology for 535Cx4.5 h is suitable ； and the solution technology for 545 Cx 3.5 h is available for shortening the production cycle .The microstructu

15、re is observed through metallography microscope . The higher of the solution temperature and the longer of the heat preservation time are , the bigger the particles of a( Al)grow , and the more Mg and Si would dissolve in a(Al) during the solution process . And the eutectic particles reduce obviousl

16、y while Si particles become bigger . A( Al)phases become grounder , the strength and hardness grow while the plastic properties drop.word可自由复制编辑The fracture of tension specimens is observed on SEM . And the micro-appearance is typicalplastic fracture .Ifthe solution temperatureand timeare suitable ,

17、 the dimples arebig anddeep . The plasticspropertiesalso aregood . Eitherthem less or higher than theoptimal process parameters would lead to poor properties .The aging kineticsisdiscussedby meansofDSC. G.Parea is formed within 50 ?60 C,which attributestovacancy s reuniting.P; -phaseis formed within

18、 250? 300C and deposited from the grain boundary or the screw dislocation because of Mg and Si atom enrichs in G.P area. The properties of the Al alloy will become bad when P is formed over 300 C.key words :A356; wheel ; solution ; agingword可自由复制编辑独创性声明本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除文中已

19、经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到，本声明的法律结果由本人承 担。学位论文作者签名：日期：年月日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有 权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权华中科技大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。保密口，在 年解密后适用本授权书。本论文属于不保密口。指导教师签名：日期：年 月曰（请在

20、以上方框内打V学位论文作者签名：日期：年 月曰word可自由复制编辑1绪论铝合金在汽车上的应用现状汽车是应用最广泛的交通工具，环保、能源、安全是汽车发展的三大课题。为解决这三大课题，现代汽车正朝着轻量化、高速、安全舒适、低成本、低排放与节能的方向发展。而目前满足上述要求的最有效的途径就减轻汽车自重。铝及其合金加工材料由于具有密度小、比强度高、抗冲击性能好、耐腐蚀、良好的加工成型性以及极高的再回收、再生性等一系列优良特性，成为实现汽车轻量化最理想的首选材料。汽车使用铝合金材料具有多方面的优点：首先是减重效果明显，通常每使用1Kg铝，汽车自重可下降2.25 Kg；第二是节能效果十分可观。根据日本科

21、研机构测定，汽车重量每减轻1Kg,平 均一年可节省12L汽油。车重每降低10%燃料消耗可降低5.6%;第三是乘客的舒适性和安全性获得提高。若车重减轻37%发动机输出功率可提 高40%;车重减轻25%就可使汽车加速到 60Km/h的时间从原来的10秒钟减少到8秒 钟；同时使用 铝合金车轮，由于震动变小可使用更轻的缓冲器；由于是在不减少汽车容积的情况下使用铝合金材料而减轻汽车自重，因此使汽车更加稳定、乘客空间变大，在受到冲击时铝结构能吸收分散更多的能量，因而更加安全和舒适；第四是在减少污染、改善环境方面。由于汽车重量的减轻，导致了燃料消耗的下降，所以可减少尾气的排放，使环境得到改善。据介绍，若车重

22、减少50% CO2排放量可减少13%第五是汽车报废后铝可以回收再利用，因为铝是能最大限度回收的材料，目前回收率为85%有80%左右的再生铝用于汽车工业，汽车用铝中有60卧自回收的废铝。因此汽车的铝化是世界性的发展趋势。汽车铝化的先行国是美国、日本、德国三大汽车生产国。日本计划未来单台车用铝270Kg,使铝化率达到31.3%,届时体构 造用材料中约17%为铝。因此，逐渐提高汽车的用铝量已成为世界各国的共识1-5。汽车发动机的铝化发动机是汽车的心脏，占发动机总重量25%勺汽缸体的铝化速度正在加快。日本 本田公司用新压铸法（低速、中压铸造）成功地使气缸达到了 100%的铝合金化。日本 丰田公司已推出

23、word可自由复制编辑莱克萨斯（Lexus ） LS -400型高级轿车用的全铝合金发动机。这种IUZ-FE发动机汽缸容量为4.0 L , 净重202Kg ,在V8型汽车发动机中是最轻的。美国福特汽车公司也已推出一种铝合金发动机， 该名为“ V6永久技术”发动机汽缸容量分别为2.5 L和3.0 L两种。Al-Si系耐磨合金，Al-Si-（ Fe,Ni）系耐热耐磨合金，Al-Fe系耐热 合金等正在用于制作活塞、连杆、汽缸套等发动 机零部件等。使用新型中低压铸法可实现缸体的轻量化，减少壁厚10mm,相当于减轻重量1? 1.5Kg气缸盖、活塞等零 件都可能全部使用铝铸体。随着新型耐磨蚀耐热铝合金的不

24、断研究 开发，将会进一步加快汽车发动机的铝化速度6。汽车散热器的铝化汽车散热器（包括水箱、空调器的蒸发器和冷凝器 ）大多数是用厚铝箔与铝管制造的，它比铜质散热器轻40%右，而且有相当好高的热交换性能，价格也比铜的低。铝散热器代替铜散热器已成为人们的共识，得到了世界各国广泛的应用。比如在1985年，约78%勺法国和德国轿车、44%勺英国轿车、65%勺瑞典轿车、81%勺意大利轿车及55%勺西班牙轿车就已经安装 了铝合金散热器，而现在几乎达到100%这是因 为其具有耐腐蚀性强、使用寿命长、质量比铜制散热器轻20? 40蛆及热交换率高12%。福特公司开发了一种散热器，它的椭圆形水管可 以用机械装配，这

25、种散热器具有更好的热传导性（它用一组椭圆形的水管代替了两组圆形的水管），而且质量小、成 本低、力学强度和可靠性丝毫不比传统的散热器逊色。把铝合金散热器 用于中型载 货汽车和重型载货汽车虽开始得比较晚（在1985? 1989年之间），但优质冷却液及抗腐 剂的作用使其日益推广7。目前，汽车空调器已可实现全铝化，但汽车水箱的铝化率还有很大的潜力可挖。随着相关技术的不断改进，铝散热器在汽车工业上的应用前景将十分广阔。 1.1.3汽车车身与车体的铝化汽车车身与车体空间框架结构的铝合金化也越来越受到世界各国的普遍重视。车门、车顶外板、车身侧板、发动机罩、行李箱盖、挡泥板、车体框架、保险械、地板等零部件，过

26、去很少用铝合金制造，现正在加速铝化进程。比如阿尔卡（Alco）word可自由复制编辑表1-1世界各大汽车公司开发的铝合金车身零部件国豕汽车1豕汽车型号车身卷1部件台金牌号英国罗孚Rande ROVER刖巽了恢-德国保时捷928覆盖小匕翼子板AC120梅赛彳i斯-奔驰120SEC覆盖小匕行李舱盖AC120, 5000 系列意大利法拉利Testarossa覆盖件，翼子板5000, 6000 系列LamberginiKountaK所有外部装饰件5000, 6000 系列ZagagandStelvio所有外部装饰件5000, 6000 系列美国通用凯迪拉克覆盖件，顶盖AC120, 5000 系列Ala

27、nt行李舱盖-瑞典沃尔沃760GLE覆盖件，活动顶5000, 6000 系列SavanaRX-7覆盖小矽卜板GZ45马自达覆盖小内板G4BRodster覆盖件内外板GC45Cosmo覆盖件内板KSSG30日本300ZX覆盖件外板KSS030日产覆盖件内外板TG-0.6Infiniti覆盖件内外板KSS030Leopard覆盖件内外板5000系列车身外板6000系列本田MSX车身内板5050车身框架5182加强元件，折叠活顶5052丰田Celsior隔热啦Z1100word可自由复制编辑公司与通用公司以及奥迪公司联合开发铝合金车身。他们开发了一种可以制造铝合金框架的新工艺。这种铝合金框架系采用保

28、护气焊接工艺制成。阿尔卡公司还在距德国杜塞多尔夫不远的地方建立了生产铝合金车身空间框架的分公司。在采用新工艺时设备的投资要比采用常规工艺时减少一半。美国福特公司也采用了空间框架的技术。经专家计算，在用比钢更贵的挤压铝材制造车身框架时，材料利用率高，并且铝合金车身几乎要比传统车身轻50%福特公司开发的“综合-2010”型汽车的铝焊 接结构承载车身的质量比钢焊接结构车身减轻了450Kg或者说减轻了 46%在不降 低汽车使用性能的情况下，把发动机的功率由110KW降到59KW,而此时的油耗仅 为4.7 L/100 Km5。从1991年起，福特公司开始使用铝板制造新型“ Tarus ” 汽车的车门 内

29、外板、行李舱盖及前翼子板。这些铝板由阿尔卡公司提供。其他公司也在开发 轿车铝合金车身框架。比如保时捷、凯迪拉克、劳斯莱斯、沃尔沃、梅赛德斯、奥迪 及法拉 利的某些型号的汽车也已经使用铝车身覆板。根据Hidro铝业公司（挪威）的建 议，在其制造铝合金车身的基础上成立了Hidro Automotiv 铝业”欧洲联合企业及在德国的Unterschliasgem分公司。该联合企业已经和法国雷诺公司进行合作，准备批量生产铝合金车身汽车。日本也建立了几个以生产铝合金车身零部件为主要任务的联合企业。其中Kavasa Ki Stil公司和FuruKava铝业公司每年能生产 5000? 6000t铝合金板 材。

30、Kobe Stil公司不仅研究汽车用铝合金板 材，而且还研究铝合金挤压毛坯、锻件及 铸件等等。日本本田公司生产的新型赛车采用210Kg的铝合金整体本身外壳，比钢质的同样外壳轻140Kg。韩国现代汽车公司推出一种取名为“科佩”的超轻量的铝合金高级轿车，车身重量仅有148Kg，相当于同类钢车身重量的一半左右，既可节约大 量的能源，获得巨大的社会效益，同时也提高和改善了运行性能。车身的铝化， 能 实现可观的减重效果，使铝合金材料在汽车工业上的应用有可能获得突破性的进展 7 0汽车底盘的铝化汽车底盘也可实现铝合金化。德国奥迪公司推出的A-8型豪华轿车，抛弃了使 用多年的钢质底盘而改用新型的铝合金底盘，

31、其重量减轻了约200Kg。虽然比钢制的 高出了约45%勺生产成本，但足以用其整个使用寿命周期内所节省的汽油价值来抵偿，同时所取得的社会效益是巨大的。从整体看，汽车底盘的铝化还是有它一定的发展前途的。汽车铝合金轮毂word可自由复制编辑1923年，赛车开始使用砂模铸造的铝合金轮毂，第二次世界大战后，铝轮毂用于普通汽车。1958年，有了整体铸造的轮毂，以后不久又有了锻造轮毂，1979年美 国把铝带成形轮毂作为标准轮毂。1990年，阿卢马克斯工程金属工艺公司(AEMP)与索帕里奥(Superior)工业公司合资在阿肯萨斯州菲耶特维尔市建设的全球第一个半固态模锻(SSF )铝合金轮毂厂投产，使铝合金轮

32、毂生产又进入了一个新阶段。1981年，美国凯泽铝及化学公司用挤压方法首次生产铝合金轿车整体轮毂，其直径为457.2毫米，用于装备80年代中期前轮驱动的小型轿车 向。1.1,5.1铝轮毂的优点与其它轮毂相比，铝轮毂具有如下优点：铝轮毂减重效果明显，从四轮轿车到十轮大客车，使用铝轮毂，每个轮可减重2? 18.5 Kg,每辆车可减重 8? 74Kg,即减轻重量29? 44%表1-2汽车铝合金轮毂的减重效果车种轮辆规格铝轮Kg毂年钢轮毂重Kg 里减重效果Kg 1辆车减重果Kg效轿车与小客车5-1/2 JJx145? 67? 92? 38? 12中型汽车6.0 GSx1611.5175.53310轮大卡

33、车7.5 Vx2024.53712.51257.0Tx2024.53410.010010轮客车8.25 x22.524.54217.51757.5 x22.523.54217.5185铝轮毂节油效果好。日本川西泰夫等用钢轮毂车总重为14.7吨、铝合金轮毂车总重为14.5吨的两辆载货卡车进行了耗油量试验。试验车速为90、80、40、30及20公里/小时，试验结果如表1-3。表1-3钢轮毂、铝合金轮毂卡车的节油效果车速Km/h行程，Km/L 油铝合金轮毂车的多行钢轮毂车铝合金轮毂车里程率，。%205.005.183.6304.184.292.6406.506.662.4604.825.167.08

34、03.533.704.8903.003.093.3(3)散热性好。轿车在高速行驶时，轮胎与地面摩擦会发热，制动盘和制动片摩 擦也会word可自由复制编辑发热，在高温的作用下，轮胎和制动片均会加速磨损和老化，一旦失效就可 能引发安全事故。铝合金的传热系数比钢大 3倍，可将轮胎和制动片上产生的热量迅 速地传导散发到空气中去， 能有效地避免车轮在高速旋转下产生的种种弊病，提高了安全性。（4）舒适性好。铝合金轮毂是精密白铸造件，精加工表面达 80蛆上，失圆度小 平衡性 好；特别是铝合金弹性模量较小，抗振动性好，能减少行驶中的振动，加上真圆度好，更具有吸收震动及弹力的功能，所以提高了整车的舒适性。（5）

35、外观赏心悦目。铝合金轮毂的外表面经过抗腐蚀处理再静电粉体涂装，让人 有一种 美观、精致、豪华的感觉 。1.1,5.2铝轮毂的制造工艺近年来，铝轮毂的应用越来越广泛。美国是应用铝合金轮毂较多的国家，目前 已有35% 的车轮是铝轮毂，预计到未来将提高到50%日本这一比例也很高，已超过 30%除压铸铝合金轮毂外，还出现了铸造轮毂、铝板成型轮毂。铝制轮毂因具有重量轻、散热性能好、轮胎寿命长、安全可靠、生产简单、外型美观、图案丰富多彩、尺寸精确、平稳性好等优点，从而得到越来越广泛的应用，发展潜力很大。目前铝合金轮毂的制造方法主要有两大类 10：一类是铸造法（包括金属型重力铸 造法、 金属型低压铸造法、压

36、力铸造法、挤压铸造法即液态模锻 ），该法生产轮毂成 品率高，成本 较低，但轮毂的力学性能低，主要应用于生产普通摩托车、轻型轿车轮毂；另一类是锻造法（包括常规锻造法、铸造锻造法、半固态模锻工艺），该法生产 的轮毂力学性能高，但成品率低，只有 50吐右，价格昂贵，产品主要应用于高档轿车、轻型客车乃至重型汽车和大型客车上。由于铸造法生产铝合金轮毂具有适应性强、花色品种多样、生产成本较低等优点，铸造法仍是生产铝轮毂最普遍的方法，在目前全世界生产的铝轮毂中，铸造的占80蛆上11。铝轮毂有一件式、两件式和三件式的。两件式的铝轮毂是由一件内件和一件外件焊上的或钉上的。三件式的铝轮毂由一件中心部件和两个外圆件

37、组成，并用航空级的螺钉拧在一起。为了减轻质量，很多三件式铝轮毂使用锻造件”。铸造铝合金 轮毂的一般制造过程如下：熔炼配置合金液 一铸造毛坯一热处理淬火、时效 一轮毂 校平一非加工面喷漆处理 一机械加工一表面处理一包装入库。铝合金轮毂表面处理 工艺主要分为涂装（喷漆或喷粉）和电镀两个大类，word可自由复制编辑过去那种单纯的阳极氧化膜处理工表1-4国内整体铝合金车轮毛坯的主要铸造方法比较效率高，切削加工余 少，低消耗，大批量, 件成本低廉量单铸件内极易吸入气体成气孔，不宜进行 理，影响力学性台匕 目匕采用真空压铸工艺生产形的铝轮，仍具有一定的 热处竞争力应用最为普遍工艺最成熟，生产效 较高，工序

38、简单，(资少，铸件经固溶理后，具有良好的 学性能率 投 处 力铸件切削加工余量 浇冒口系统复杂， 料较多，浇注时大，回炉易产生疏松、裂纹等缺陷铸造法底注式填充，充型平 稳， 铸件夹渣和气孔少，合格 率高铸机和模具造价较 模具设计、保温 封、合金液处理高， 炉密 方面较具有一定市场，适合 大尺寸汽车轮毂拥有一定的市场为和维麻烦(液态模锻铸件精度高，切削余 量挤压机较大，模具较小，生产效率高，铸 复杂和贵重，制造件力学性能好修费用较高艺已逐步被淘汰。其中电镀车轮多用在高端产品上13。喷涂工艺主要流程为：预脱酯一清洗一脱酯一清洗一吹积水一烘干一喷涂底漆一补漆一固化一喷涂面漆一补漆一固化。喷粉工艺和

39、喷漆工艺过程基本相同，只是通常可以只喷、烘一次。对于高端产品，在前处理阶段应增加去氧化膜和形成转化膜的工序，以提高涂层的附着力。镀铭工艺主要流程为：除油 4清洗4酸蚀4预镀锌4预镀暗银4预镀亮铜4清洗4活化一银封一镀铭一清洗一吹积水一烘干皿。1.1.6我国汽车铝化的现状我国汽车铝合金化程度不高，所用铝合金材料尚未形成标准化、系列化，材料品种也较少，由于受制造工艺、成本、维修、路况等条件的限制，铝散热器的应用在一定程度上受到影响。止匕外，在质量方面也存在着成份、性能等方面的问题。但 是，随着我国汽车工业的快 速向前发展，铝合金材料在汽车上的应用也将会得到相应的增加和发展的。美国资深汽车工程师Da

40、vid Scholes预测：未来轿车上的每个零件 都有可能用铝合金来生产，未来的 10? 15年 会有越来越多用铝合金制造的汽车，并且铝合金制品完全可能比塑料轻15。word可自由复制编辑1.2 A356合金研究现状A356即我国的ZAlSi7MgA( ZL101A合金)，是美国于70年代研制的一种铸造铝 合金同， 该合金属于Al-Si-Mg系合金，其合金成分见表 1-5。A356合金既有良好的 铸性能又有高的综 合力学性能。70年代末期开始用于汽车工业。随着汽车工业的迅速发展，到了 80年代末A356系列铝合金在汽车工业中得到了广泛应用3。硅是A356合金主要强化元素，与镁形成 Mg 2Si

41、相在时效时弥散析出，可提高材质的强度与硬度。Mg2Si在室温下析出缓慢，所以自然时效效果不大，必须经人工时效后，才有高的强化效果。合金中的硅和镁在人工时效温度下，优先形成Mg2Si,而 在室温下，硅由保留在a(Al)过饱和固溶体中，不易析出。但同时，硅也会与钛生成金属化合物，减弱钛的细化作用；硅含量越高，钛的细化 Al-Si合金能力越弱。因此，对于高硅铝硅合金，钛的加入量应相对高一些以保证钛的细化作用17。含镁量不超 过0.4%,这是因为镁在a固溶体中的极限溶解度约 0.5? 0.6%,过量的硅与镁形成粗 大Mg2Si相，降低合金的塑性。为了进一步提高铝合金的强 度，通常在零件成形后进行热处理

42、。由于铝没有同素异构转变，故铝合金的热处理强化方法与钢不同，铝合 金的热处理月采用固溶+时效处理，通过固溶处理，使合金元素和第二相固溶 于基体，并在随后的时效处理中均匀析出细小的强化相，达到强化的效果。试样经固溶处理 后，由于微量合金元素的溶入，使基体成为过饱和的亚稳态，在随后的时效过程中，又从基体中析出强化相，主要是Mg 2Si o在时效开始阶段，由于基体过饱和度很大，所以析出过程非常快，硬度曲线的斜率很大，即硬度会大幅度提高；当达到一定时 间后，基体和析出物之间的浓度 达到了平衡，因此析出开始变慢直到停止，这时硬度曲线变得平缓；最后由于继续保温，Mg2Si不再析出而开始长大粗化，硬度下降他

43、。 表1-5 A356合金各合金元素质量分数SiMgTiSrFeCuMnZnAl6.8 ?7.20.30 ?0.380.08 ?0.150.0180.180.10.1Fe时形成富Si相的p(A19Fe2Si2)。二者都是脆性化合物，但a相呈骨架状或团块状，P是粗大的针状，故后者对塑性的危害更大些。Fe和Si在工业纯A1中多半成三元化分物存在，出现FeAb或游离Si的机会很少19。除a(Ah2FeSi), p(A19Fe 2Si2)外,还出现一种四元相 AkFeMg 3Si6,它可由包晶反应 L+p( Al9Fe2Si2) a(Al)+Si+ AkFeMg 3Si6 或共 晶反应La(Al)+S

44、i+Mg2Si+AUFeMg 3Si6形成，当形成这种共晶体时，合金的熔点降低到544 C。由此可见上述合金除基本相外，还存在杂质相a(Fe3SiAlu), P(Fe2SiA19)和AUMg3Si6。ZL-101合金中添加少量镒，除起固溶强化作用外，还可使粗针状的P(Fe2Si2A19 )相转化成骨胳状的AlMnFeSi相，从而减轻杂质铁对合金塑性的有害影响20-22OAl中添加少量的Mg和Si,基本不改变合金时效过程的沉淀序列及析出相，即在一定时效条件下过饱和固溶体的沉淀顺序是aGP区一p 4p p相(Mg2Si) , 150C以word可自由复制编辑 下沉淀物以GP区为主，150? 225

45、 C为GP区+P相，此时强化效果最大，250 C以上形成平衡相（Mg2Si） 22。研究表明，Al-Mg-Si合金的GP区随Mg/Si含量比不同而形成 两种不同 的形态与结构。当原子百分含量比Mg/Si 1时，GP区为MgzSi,呈圆片状，其 晶胞结构为L10型。 这两类GP区均在人工时效初期或自然时效时，呈大量细小弥散地析出，成为合金欠时效状态下的主要强化相，对合金性能产生重要影响结冽。细化及变质处理自从Cibula发现TiB2和TiC是铝晶粒有效的形核剂以来27,从60年代开始，Al-Ti-B 中间合金一直是铝合金生产中优先采用的晶粒细化剂。这类细化剂形成初生 的a-Al结晶核心，并促进铸

46、件中形成大量有规则的等轴晶粒，所以晶粒细化主要是针对初生a-Al而言，促使初晶a-Al由粗大树枝晶变为细小等轴晶 28。常见的有 Al-5 T Al-5Ti-0.2 B、Al-5 Ti-1 B和Al-3Ti-3B 等。在铝合金熔液中，二元 Al-Ti合金中TiAl3的相 对溶解度为0.15%,但在熔化期的保温阶 段，随着时间的推移，TiAl3的细化作用会 逐渐减弱直至消失。因此，最好在浇注前30分钟内加入细化剂，才能获得较佳的效果。加入B可以减弱TiAl3的这种细化衰退作用，B与Ti和Al的化合物比单一 Ti有更好 的细化效果。对 Al-Ti-B细化剂而言，由于上述作为成核核心的 化合物并不溶

47、于铝中，易聚集而沉淀于底部，也会发生细化衰退现象。实验证明，用 10 %a的混合稀土加入 Al-Ti-B合金中形成的Al-Ti-Re合金细化剂可延缓衰退。值得一提的是晶粒细 化的“中毒”现象。在加Ti、B细化的铝熔体中如果存在 Zr、Cr、Mn等元素，将减弱细化效 果，甚至会因“中毒，而失去细化效果。杨莉莉等 郎-29研究了几种常用的Al-Ti-B、Al-Ti-C、 Al-Ti和Al-3 B细化剂微观组织及其对 A356合金的细化效果。结果表明，对于 4种Al-Ti-B细 化剂，第二相的尺寸和分布对细化效果有一定影响，荷兰产Al-Ti-B细化剂AbTi尺寸小，TiB2呈弥散分布，细化后晶粒尺寸

48、最小，在加入质量分数为0.2 0 %保温时间30min时，尺寸为500pm。对于不同系列晶粒细化剂，在加入量为0.2%口 0.5 0 %时，Al-Ti-B的细化效果均为最好。较快的凝固速度下，各种细化剂的细化效果无明显差别；凝固速度较慢，Al-3B细化剂的细化效果较好。仲志国30等研究了不同细化 和变质方法对细晶铝锭熔炼的A356铝合金组织与性能的影响。结果表明，钛（由细晶铝锭加入）、硼及稀土联合细化，晶粒细化效果最好；0.04%的银、0.01%的钛、0.03%的硼及0.3%的稀土联合细化及变质的 A356铝合金晶粒细小，娃颗粒细碎，气孔较少，具有较高的word可自由复制编辑 力学性能。在实际

49、生产中晶粒细化的作用可概括 31如下：(1)减少针孔的尺寸和数量，并使其分布更为弥散，从而改善合金的力学性能；(2)改善合金的补缩能力；(3)减少热裂倾向；(4)改善合金的化学、电化学特性和表面质量。在铝硅合金系中，Al-Si合金随着Si含量的增加32, a-Al+Si量超过13%W,合金中还析 出粗大的多角形板状初晶硅。由于Si相质脆且呈粗大片状存在，严重割裂合金 基体的连续性， 并在硅相尖端和棱角部位引起应力集中，从而明显降低了合金的力学性能，尤其是塑性，切削加工性能也变差。故当 Al-Si合金中Si量超过6%寸，为了 改善Al-Si合金的力学性能可在液 体铝合金中加入2? 3%勺变质剂，

50、进行变质处理， 以改变硅相形态，细化晶粒，提高合金的性能。变质处理通常采用纯金属、中间合金和熔剂三种方式。Na变质一般采用熔剂(NaF)方式。Sr变质可采用纯Sr和中间合金 两种方式。Ba 和Sr相似，也可以合金方式加入。RE变质通常米用中间合金 (Al-10%RE)和熔剂(REF3 , RECl3 ) 等形式加入27。早在1920年A.Pacz发现Na等显著细化共晶Si相34。此后Gweyer、Edwards等也进行 了研究，确认Na是最适合于做变质剂的元素，从而形成了定型的处理方法。当钠盐与铝液接触时反应生成游离钠进入铝液，当铝液温度降低时，就会形成大量的NaSi或其他化合物的高度弥散的胶

51、状质点，吸附于硅晶核上，阻碍其成长，因此使形成的硅晶粒细化，另外，钠盐的加入，促使产生过冷度，原先粗大针状的硅变成细小的硅，而共晶组织(a+Si)变成亚共晶组织a+(a+Si)。因而铝合金变质处理后的力学性能显著提高，在光学显微镜下未变质的共晶Si呈现针状，且较粗大；变质共晶Si呈现 圆粒或短针状；在扫描电子显微镜下观察到未变质共晶Si呈现板片状，变质共晶Si呈现纤维状陶。但是，用Na变质处理的重要缺点是有效时间短， Na易氧化、消耗快、易与塔摒反应和环境条件差。为了克服Na变质剂的不足，人们一直在进行许多变质元素的研究。已知的有Ca、Ba、K、Sr、Fe、Li等。其中最引人注目的变质元素是具

52、有长效性的Sr和Sb。1966年Thicle开始了 Sr做变质元素的研究，即变质工艺由于长效性、重熔性好、变质效果明显等优点，正成为目前国内外大多数企业的优选变质工艺，得到了相当广泛的应用。但即变质存在着致合的弱word可自由复制编辑点，即变质潜伏期需要 40min以上，并增加合金的吸气倾向，合金易产生缩松，致密性下降，使车轮的整车性能和表面质量受到影响。同时由于 Sr的氯化反应使Sr烧损，降低了 Sr变质 效果，故忌用氯气或氯盐进行精炼处理，最好 采用氮气、tc气或真空除气处理32。1967年Borgeauo开展了 Sb做变质元素的研究，1977年开始使用。锦作为变质剂是解决针孔缺陷的最佳手

53、段。 在锦变质工艺中，Mg3Sb2是硅相的异质核心，使a(Al)共晶硅细化， 接近于球状，从而起到变质作用12。由于Sb变质效果不衰退，可以反 复使用，对地摒无腐蚀 作用，使用方便。可以使枝状基体细化，分布均匀，具有脱气和细化晶粒的作用。我国锌储量和生产量都居世界首位，具有资源优势，价格也较便宜。但Sb变质对铸件冷却速度敏感，用于金属型铸造变质效果好，砂型条件下只能得到亚变质效果，恶化合金性能。Sb变质还容易产生AlSb比重偏析，因此Sb常采用Al5独Sb中间合金的形式加入。钢和锌对共晶硅有 良好的长效变质作用，但 对厚壁件的变质效果差，因此不适用于铝轮毂34。La、Ce等稀土元素对Al-Si

54、合金具有良好的变质作用，其变质潜伏期短，变质有效时间4h以上，重熔7次仍保持良好的变质效果晔例。稀土对铝合金还具有脱氢除气、减少氧化夹杂物和强化合金的作用， 高温性能和热稳定性均获得提高我国的稀土资源丰富，稀土又具有综合改性的效果，值得推广应用。但稀土变质效果对铸件冷却速度敏感性强。在金属型快速冷却下才能表现出明显的变质效果。稀土元素容易氧化成高熔点的脆性化合物，造成微观偏聚，对力学性能不利，所以应注意其加入工艺和加入量的控制。杨彬，高平等 陶研 究了混合稀土 Al-10哝E(富偶混合 稀土)中间合金作为变质剂对 A356合金的组织和力 学性能的影响。结果表明混合稀土是A356合金的一种长效变

55、质剂。无论在铸态还是热处理态，合金的力学性能均有提高。但在热处理条件下比铸态产生更好的变质word可自由复制编辑表1-6常用变质剂的特点受质兀素(剂)加入量，%变质处理温度，c相对价格变质效果适用日勺合金二兀钠盐2.0 ? 3.0730?便宜优业、共晶今金锢0.04 ? 0.08710? 750较贵优亚、共晶合金睇0.1 ? 0.5710? 750中等良混合稀土0.1 ? 0.6730? 800较贵良各种合金银0.05 ? 0.2760? 800较贵良亚、共晶合金钾1.5 ? 2.5730? 760便宜优亚、共晶合金磷0.02 ? 0.07740? 840中等优过共晶合金效果，突出表现在伸长率

56、有较大幅度提高。综合考虑各种力学性能，推荐该变质剂 的合理 加入范围是0.12%-0.28%。有研究34认为对于变质剂的作用可以认为：在未加变质剂的情况下，硅晶体内容易产生挛晶，使硅沿挛晶方向(211)长成粗针状，而且 硅生长速度快，不易过冷。在熔融状态下加入变质剂，在硅表面强烈吸附或富积变质成分，降低硅的生长速度，并改变硅的生长方式，生长择优方向为(111)促进共晶 硅分枝和长成纤维状，从而达到细化目的，改善合金性能。热处理强化铸造铝合金在铸态下的力学性能往往不能满足使用要求，通过热处理的办法可进一步提高铸件的力学性能和使用性能。热处理的目的大致有以下几个方面37:(1)充分提高铸件的力学性

57、能，保证一定的塑性，提高合金抗拉强度和硬度，改 善合 金的切削加工性能等；(2)消除由于铸件壁厚不均匀、快速冷却等所造成的内应力；(3)稳定铸件的尺寸和组织，防止和消除因高温引起相变产生体积胀大现象；(4)消除偏析和针状组织，改善合金的组织和力学性能。热处理可以改善铝合金的力学性能，对于铸造 Al-Si-Mg合金，热处理强化的主 要方 法是淬火或淬火加人工时效。铝合金以获得时效强化的前提条件是其中一个或多个合金元素的固溶度随着温度的降低而降低。对于 A356合金来说，由图1-1( b)伪二word可自由复制编辑 元共晶相图可知：在共晶温度下， Mg2Si在a-A1中的溶解度可达1.85%(其中

58、Mg与Si的溶解 度分别为1.17%和0.68%,当温度下降时，M2Si的固溶度明显降低。故 A356合 金可通过固溶 处理与时效处理提高合金的机械性能。1.2.3.1固溶处理工艺所谓固溶处理就是将合金加热至高温单相区恒温保持，使过剩相充分溶解后快速冷却，以得到过饱和固溶体的热处理工艺，铝合金的固溶处理有三个目的42：(1)使Mg, Si元素固溶入a( Al)基体中；(2) Mg, Si在a (Al)基体中均匀化；(3)共晶Si相形态在固溶过程中发生由纤维状向粒状形态的转变。将合金元素固溶到基体金属中形成固溶体以提高合金的强度的方法称固溶强化。其原理是：合金元素溶入基体后、使基体金属的位错密度

59、增加，同时晶格发生畸变。畸变所产生的应力场与位错周围的弹性应力场交互作用，使合金元素的原子聚集到位错线附近，形成“气团”，位错要运动就必须克服气团的钉扎作用，或从气团中挣脱出来，因而需要更大的切应力。此外，合金元素原子还会改变固溶体的弹性模量、扩散系数、内聚力和原子的排列缺陷，使位错线变弯，从而强化材料。固溶强化的特点是：在使材料的强度、硬度提高的同时，还能保持良好的塑性。但固溶体的强化效果随被固溶的元素的含量的增加而增大，因此，强化程度受合金元素 在基体中的固溶度大小的限制。在铝合金中加入硅、镁、铜、镒、锌等合金 元素，都能形成具有较大极限溶解度的固熔体 ，起到固溶强化的作用。对Al-Si-

60、Mg合金来 说， 基体中只有Si、Mg两种强化元素，所以单独进行固溶强化对提高材质的性能不是十分明显，必须随后进行时效处理才能起到强化作用50-53。(1)固溶温度在亚共晶Al - Si-Mg铸造合金中，固溶处理的实质在于将合金加热到尽可能高的温度，并在该温度下保持足够长的时间，使强化相Mg2Si充分溶入a-Al固溶体，随 后快速冷却，使高温时的固溶体呈过饱和状态保留到室温。温度愈高，愈接近固相 线温度，则固溶处理的效果 愈好。但温度过高会引起晶粒粗大，甚至发生过烧而使产品报废。为了防止局部过烧，加热温度通常低于固相线10? 15 C。固溶处理也改变共晶Si的形态，随着固溶保持时间的延长， S