预自然时效对A356球状和枝晶组织人工时效响应的影响

摘要

A356合金是一种最常用的半固态金属成形合金。目前应用于半固态加工部件的热处理循环大多是用于枝晶铸造合金的热处理循环。假设这些热处理不一定是最佳的处理，因为需要考虑凝固历史和组织的差异。这项研究的目的是确定树突状A356对人工老化的反应是否与球状A356相似。结果表明，微观组织(球状或枝晶)的差异对热处理响应没有显著影响。结果表明，无论采用何种铸造工艺，A356的T4和T6硬度与wt% Mg之间均存在较强的线性相关关系。

1.介绍

半固态金属(SSM)加工是一种独特的制造技术，用于制造各种工业应用的近净形状产品[1]．目标是实现半固态结构，这是无枝晶和固体在一个近球形的形式。这种半固体混合物均匀流动，表现为触变流体，其粘度取决于剪切速率和固体的分数[2]．SSM有两种不同的处理方法，即触变铸造和流变铸造。触变铸造是将一种特殊制备的具有球状组织的固态材料坯料再加热到半固态范围，然后进行成形工艺，如高压压铸(HPDC)。另一方面，流变铸造涉及直接从液体中制备SSM料浆，然后是HPDC。由于触变铸造成本较高，流变铸造已成为首选的半固态工艺[3.]．在压型过程中SSM过程中的层流避免了氧化物和气体滞留的问题，也减少了凝固过程中的收缩问题[4]．因此可以防止热处理期间的起泡。

A356铝合金(也称为Al-7Si-0.3 Mg)每年生产大量铸件。由于其良好的“铸造性”，这种合金是用于半固态金属成形的最受欢迎的合金之一[5]．这种合金的化学成分限值如表所示1［6]．目前应用于半固态加工部件的热处理循环，大多是用于枝晶铸造合金的热处理循环[7，8]．假设这些热处理不一定是最佳处理，因为应该考虑SSM加工零件凝固历史和组织的差异[7- - - - - -11]．然而，作者最近的一篇论文表明，A356汽车制动卡钳的热处理响应和拉伸力学性能实际上不受球状或枝晶组织的影响[12]．Birol也得出了同样的结论[13，14]．

此外，作者之前已经表明，人工时效前的自然时效(固溶处理和淬火后的室温时效)对SSM-HPDC A356随后的人工时效响应有不利影响[9，10]．然而，在180°C下人工老化4小时可以消除任何自然老化的影响[10]．一份最近的检讨报告[15对Al-Si-Cu-Mg合金(包括A356合金)的热处理进行了研究，得出结论认为，在这些合金中，自然时效对随后的人工时效的影响需要进一步研究。最后，作者之前也展示过[9，11]认为SSM-HPDC A356的强度与mg含量存在较强的相关性(其他元素含量不变)。这项研究的目的是确定树突状A356对人工老化的反应是否与球状A356相似。比较了不同工艺(Mg含量相近)的A356铸件在T4和T6回火条件下的显微组织对其最大硬度的影响。

2.实验

A356合金的半固态金属(SSM)浆料(化学成分，以及合金的化学成分限制列于表中1)是利用科学和工业研究委员会(CSIR)的流变铸造工艺制备的[16]．汽车制动卡钳是用LK DCC630 HPDC机铸造在钢模具中，产生球状组织。为了进行比较，由当地一家制造商采用重力压铸(GDC)铸造的成分相似、设计精确(形状、尺寸、质量)的汽车制动卡钳会产生树枝状组织(见[12，17关于这些制动卡钳的铸造参数、尺寸、热处理和拉伸力学性能的更多细节)。

此外，矩形板(95 × 30 × 4mm^3.)，组成见表1采用熔模铸造(IC)进行铸造，获得比用GDC铸造的制动钳更粗的枝晶组织。蜡模组件由6个板组成，每个对面有3个板，间隔40毫米。采用垂直25mm × 20mm的矩形流道杆(250mm长)，如图所示1．将板以75度的角度组装在转轮杆上。转轮杆延伸到最低板尖端以形成渣滓陷阱。将浇注杯连接到跑步板的顶部。使用的蜡是remet 289b绿色蜡。铝的优选底部浇注方法不用于简化组件并确保模具中的对称性。通过从remet用图案洗涤物6洗涤制备蜡组件并用去离子水冲洗。将蜡组件放置24小时干燥，并在浸渍室温下稳定21℃。的primary slurry consisted of Ransom & Randolph Primecote, colloidal silica 30% binder and Zircon flour (Zircon silicate) −325 mesh as refractory filler. The secondary slurry consisted of Ransom and Randolph Customcote colloidal silica 25% binder with fused silica (−325 mesh) as the refractory filler. The face coat stucco used was Zircon sand P109 (mean 109 μm)，底漆为Chamotte(硅酸铝)。制壳设备温度控制在21°C±1°C，湿度监测-相对湿度测量为±60%。浸渍过程见表2．

使用标准LBBC蒸汽盆腔通过200℃蒸汽在8巴的压力下进行脱蜡（蜡去除），以15分钟。将模具在燃气炉中以5％氧化气氛的燃烧炉中含有，温度为800℃，保持2小时，炉冷却。检查并真空模具，以确保模具清洁并预热到所需的浇铸温度并在电窑炉中浸泡1小时。铸造期间的金属和模具温度为720℃，以确保相对粗糙的微观结构。铝合金A356中，从相同的主熔融作为被用于SSM-HPDC板，在将SiC坩埚熔融在电炉中。熔化是定时达到720°C，因为模具达到1小时浸泡时间。这是为了减少温度的金属时间，以减少氢拾取，因为由于熔体的体积小，没有进行脱气。同时从炉中除去模具和金属。将模具悬浮在模具支架上的静止空气中，金属表面脱脂以去除碎片并缓慢倒入模具中。将模具冷却至室温，并用手去除脱模。

所有铸件在540°C下固溶热处理1小时，然后进行水淬(20°C)(见[7，9- - - - - -12[表明，540°C在540℃下为合金A356）。通过溶解Mg将镁在固溶溶液中放置镁的时间₂合金中的硅在540°C时是快速的。有人建议在A356合金中只需少于5分钟[18]．在540°C下，大约8-15分钟内均质化发生。然后将样品自然时效(NA) 0小时(仅人工时效)或120小时(T4稳定回火)，然后在180℃人工时效，以确定人工时效曲线。维氏硬度数(VHN)是由每个样品至少4个读数的平均值确定的(使用10kg负载)。在测试的所有热处理条件下，平均硬度值在±3 VHN范围内可重复。

3.结果与讨论

SSM-HPDC产生的球状组织如图所示2（a）．相比之下，用GDC和IC得到的枝晶组织如图所示2（b）和2（c）．通过添加锶，共晶从片状变为细纤维状硅结构(表1)[19]．从图中可以明显看出2该GDC产生比SSM-HPDC和IC更精细的微结构。图像分析显示大约20的二级树枝状臂间距（SDA） μ在GDC卡钳中，而IC板的SDA是32 μm. CSIR SSM-HPDC卡尺的平均液滴尺寸约为60μm。

540℃固溶处理1 h后，所有A356铸件中的共晶硅颗粒均发生球化(图)3.）.

数字4为A356合金在540℃固溶处理1小时、水淬、无自然时效后的人工时效曲线。无论组织是球状的还是树枝状的，当没有采用自然时效时，人工时效响应非常快[9，10]．请注意，IC卡钳的硬度值明显低于制动卡钳。这是由于IC板的镁含量低(表1)，从而降低了人工时效过程中强化沉淀的体积分数[9，11，20.]．在540℃下溶液处理后，还测定人工老化曲线在540℃下进行1小时，水猝灭和120小时天然老化（图5)，然后是人工老化。无论A356的微观结构如何，当发生自然时效时，人工时效响应较慢。这种缓慢的人工老化反应可以用两种不同的机制来解释。首先，研究表明，在人工时效过程中从团簇(在自然时效过程中形成)中生长的析出相比某些6000系合金淬火后立即时效形成的析出相更粗[21]．这导致某些合金的拉伸性能降低高达10%。其次，固溶处理后的自然时效降低了Al-Mg-Si变形合金AA6016的时效硬化性[22]．这在自然老化期间溶于聚类，并在随后的人工衰老期间溶解这些簇。通过降水回收损失的程度β"进一步老化的粒子[22]．考虑到数字4和5，可以看出，对于A356合金，随着人工时效的进一步进行，自然时效试样的硬度值也得到了恢复。导致拉伸性能下降的粗沉淀的形成机制[21]不允许完全恢复硬度。因此，得出结论，溶质簇的逆转还负责天然老化合金A356中的初始慢性人工衰老反应[9- - - - - -11]．

在不发生自然时效的情况下，人工时效达到最大硬度后，硬度保持在~1 - 5h之间4)，而在发生自然时效约4小时后观察到硬度峰值(图5)(亦见[10])。重要的结论是，通过对树枝状和球状A356进行为期4小时的180°C人工老化处理，可以消除任何自然老化对人工老化的影响。

数字6比较A356-T6(540°C-1 h, 0或120 h NA, 180°C-4 h)的硬度值作为铸件镁含量的函数(在规格表的上下限之间)1）.数字6包括SSM-HPDC板的硬度值[9- - - - - -11]和制动卡钳（数字4和5)， GDC制动卡钳(图4和5)和IC牌照(图4和5）.因此，包括了球状和枝晶组织，以及自然老化时间的变化。结果表明，无论采用何种铸造工艺(球状或枝晶组织)或人工时效前的自然时效时间(0或120 h NA)， T6硬度与wt% Mg之间都存在很强的线性相关关系(特别是在Mg浓度较低的范围内)。这是一个值得注意的发现，因为使用不同的铸造技术获得的显微组织有明显的差异(图)2和3.）.这说明镁含量主要通过控制强化的体积分数来控制硬化响应β“毫克₅如果₆在这种合金。注意A356含有过量的硅，这是形成化学计量镁所必需的₂Si或强化Mg₅如果₆［23]．它还增强了早期的意见是老化可通过4小时的人工时效处理在180℃下在两树枝状和球状A356除去任何自然老化前述人工的影响。在图中高Mg浓度范围的硬度较低6曾被作者详细研究过[20.]．结果表明，含mgπ步(Al₈FeMg_3.如果₆)在540°C的固溶处理中不能完全除去~0.4% Mg以上的合金。的π-相从固溶体中去除强化溶质Mg，这对时效行为有不利影响。

数字7比较了A356-T4(540°C-1 h, 120 h NA)的硬度值与铸件mg含量的关系。数据6和7包括SSM-HPDC板的硬度值[9- - - - - -11和制动卡钳(图5)、GDC制动卡钳(图5)和IC板(图5）.图中的T4硬度值5数据点在哪里(即在人工老化开始之前)。在T4硬度和wt% Mg之间也发现了很强的线性相关关系，无论使用的铸造技术。图中较高mg级时硬度增加较低7又是由于什么π-阶段 [20.]．

4.结论

（1）A356合金的自然时效(T4)和人工时效(T6)响应不受球状或枝晶组织的影响。（2）通过对树枝状和球状A356进行180°C人工老化4小时处理，可以消除任何自然老化对人工老化的影响。（3）无论采用何种铸造工艺(球状组织或枝晶组织)或人工时效前的自然时效时间(0或120 h NA)， A356的T6硬度与wt% Mg之间都存在很强的线性相关关系。（4）无论采用何种铸造技术，T4硬度与A356的wt% Mg之间也存在很强的线性相关关系。

致谢

感谢U. Curle, D. Wilkins, M. Grobler (SSM-HPDC)， P. Malesa和S. Papo (IC)的贡献。

参考文献

1. M. C. Flemings和R. A. Martinez，“半固态金属加工中的微观结构形成原理”，固态现象，第116-117页，2006。视图:谷歌学术搜索
2. O. Lashkari和R. Ghomashchi，“半固态金属过程流变学的含义:概述”，材料加工技术杂志第182卷，第2期。1-3页，229-240页，2007。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
3. H. V. Atkinson，“金属合金半固态加工模型”，材料科学进展第50卷，没有。3，页341-412,2005。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
4. W. L. Winterbottom，“半固态成形应用:大批量汽车产品”冶金科学与技术，第18卷，第5-10页，2000。视图:谷歌学术搜索
5. D. Liu, H. V. Atkinson, P. Kapranos, W. jiratticharoean, H. Jones，“触变成形高性能铝合金的微观组织演化和拉伸力学性能”，材料科学与工程，卷。361，没有。1-2，pp。213-224,2003。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
6. ASM专业手册、铝和铝合金，亚马逊国际，材料公园，俄亥俄州，1993年。
7. M. Rosso和M. A. Grande，“通过流变铸造工艺生产的汽车零件的热处理循环优化”，固态现象， vol. 116-117, pp. 505-508, 2006。视图:谷歌学术搜索
8. B. Dewhirst, D. Apelian, J. Jorstad，“人工时效对半固态A356铸件组织和拉伸性能的影响”，压铸工程师，第49卷，第2期。3, 38-44页，2005。视图:谷歌学术搜索
9. H. Möller, G. Govender, W. E. Stumpf，“半固态金属加工Al-Si-Mg合金A356的自然和人工时效响应”，国际铸造金属研究杂志第20卷，没有。6，页340-346,2007。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
10. H. Möller, G. Govender, W. E. Stumpf，“半固态金属加工合金A356的自然和人工时效响应”，固态现象，第141-143页，737-742页，2008。视图:谷歌学术搜索
11. H. Möller, G. Govender, W. E. Stumpf，“A356半固态金属加工铝合金T4和T6热处理循环的研究”，开放材料科学杂志，第2卷，第11-18页，2008。视图:谷歌学术搜索
12. H. Möller, G. Govender和W. E. Stumpf，“缩短热处理周期在A356汽车制动卡钳上的应用”，中国有色金属学会会刊第20卷，没有。第9页，第1780-1785页，2010。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
13. Y. Birol，“Al-7Si-Mg合金的人工时效响应”，合金和化合物杂志，第484卷，no。1-2, pp. 164-167, 2009。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
14. Y. Birol，“固溶热处理对树枝状和球状AlSi7Mg0.6合金时效硬化能力的影响”，国际材料研究第101卷，不。3，页439-444,2010。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
15. E. Sjölander和S. Seifeddine，“Al-Si-Cu-Mg铸造合金的热处理”，材料加工技术杂志， vol. 210, pp. 1249-1259, 2010。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
16. R. Bruwer, J. D. Wilkins, L. H. Ivanchev, P. Rossouw和O. F. R. A. Damm，“半固态金属合金加工方法和装置”，US7368690专利，2008。视图:谷歌学术搜索
17. U. A. Curle，J.D.威尔金斯，和G. Govender，“铝A356制动钳的工业半固态流变铸造，”材料科学与工程进展，第195406条，第5页，2011年。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
18. J. A. Taylor, D. H. StJohn, M. J. Couper，“Al-Si-Mg铸造合金的固溶处理效应，第二部分，”铝交易，第4-5卷，第111-124页，2001。视图:谷歌学术搜索
19. B. I.荣格，C.H。荣格，T. K.汉，和Y. H.金，“电磁搅拌和Sr修改在A356合金，”材料加工技术杂志(第111卷第66期)1-3页，69-73页，2001。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
20. H. Möller, G. Govender, W. E. Stumpf, P. C. Pistorius，“半固态金属加工合金A356和F357的热处理响应比较，”国际铸造金属研究杂志，卷。23，不。1，pp。37-43,2010。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
21. C. D. Marioara，S. J.安德森，J.詹森，和H. W.的Zandbergen，“的温度和存储时间在RT上的成核的影响β“在6082 Al-Mg-Si合金中，Acta Materialia，卷。51，不。3，第789-796,2003。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
22. A. K. Gupta, D. J. Lloyd, S. A. Court，“Al-0.4%Mg-1.3%Si-0.25%Fe铝合金的沉淀硬化过程”，材料科学与工程(第301卷，第40期)2，页140-146,2001。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
23. A. K. Gupta, D. J. Lloyd和S. A. Court，“含和不含过量Si的Al-Mg-Si合金沉淀硬化”，材料科学与工程(第316卷第4期)1-2，第11-17页，2001。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索

版权

版权所有©2011 Heinrich Möller等这是一篇开放获取的文章知识共享署名许可，允许在任何媒介上不受限制地使用、分发和复制，只要原稿被适当引用。