T5熱處理對(duì)真空壓鑄鋁合金力學(xué)性能的影響
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韓輝輝1 曹韓學(xué)2 賈從波2 梁鵬2
（1．重慶工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院；2．重慶大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)—院）
摘 要 對(duì)真空壓鑄試樣進(jìn)行500℃×0.5 h+150℃×5h、500℃×2 h+150℃×5h的T5熱處理后，結(jié)合鑄態(tài)試樣的力學(xué)性能，研究了T5熱處理對(duì)真空壓鑄試樣力學(xué)性能的影響。結(jié)果表明，經(jīng)過(guò)500 ℃×0.5 h+150℃×5h熱處理后的試樣抗拉強(qiáng)度最高，而且抗拉強(qiáng)度和伸長(zhǎng)率穩(wěn)定性最好；固溶處理時(shí)間越長(zhǎng)，微型氣孔缺陷對(duì)試樣的力學(xué)性能影響越大。
關(guān)鍵詞 真空壓鑄；T5熱處理；力學(xué)性能
中圖分類號(hào) TG166.3；TG249.2+1 DOI:10. 15980lj．tzzz. 2016. 06. 017
為了減少壓鑄件內(nèi)部氣孔等缺陷，真空壓鑄技術(shù)越來(lái)越受到重視。在Al-Si合金中，Si相的尺寸和分布形態(tài)對(duì)合金性能影響較大，有研究者認(rèn)為，影響甚至超過(guò)晶粒尺寸的作用，共晶Si的形態(tài)除了在熔煉過(guò)程中進(jìn)行變質(zhì)處理改變形貌外，還可以在熱處理過(guò)程中改變其形貌分布。Cu可以提高Al-Si合金的抗拉強(qiáng)度和疲勞強(qiáng)度，而且Cu在a-Al中有較高的固溶度。θ-Al2 Cu是Al-Si-Cu合金中重要的強(qiáng)化相，在鋁中有較大的溶解度，在固溶處理時(shí)可以溶人a-Al中，在時(shí)效時(shí)以過(guò)飽和固溶體-GP-GP（θ）-θ’-θ-Al2Cu的順序析出，達(dá)到強(qiáng)化的作用。
前期工作，試驗(yàn)研究了固溶處理時(shí)間對(duì)真空壓鑄Al-Si-Cu合金表面起泡的影響以及對(duì)Si、Cu分布等的影響，但未就T5熱處理對(duì)真空壓鑄試樣力學(xué)性能的影響開展研究，而且相關(guān)的報(bào)道也較少。
筆者對(duì)T5熱處理的真空壓鑄試樣的抗拉強(qiáng)度、伸長(zhǎng)率及其穩(wěn)定的影響進(jìn)行了試驗(yàn)研究分析，旨在為真空壓鑄件的熱處理提供參考。
1 試驗(yàn)材料及方法
試驗(yàn)用真空壓鑄合金主要成分見表1。主要真空壓鑄工藝參數(shù)：模具預(yù)熱溫度為150℃，澆注溫度為650℃，壓室長(zhǎng)度為1 200 mm，沖頭直徑為140 mm，慢壓射速度為0. 25 m/s，快壓射速度為4.5 m/s，真空度為50%。
由于缸套部位力學(xué)性能要求較高，力學(xué)性能試樣毛坯均取自不同真空度的壓鑄件的相同部位，取樣位置見圖1中線框。
真空壓鑄試樣無(wú)法進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間固溶處理，所以只取2組熱處理工藝參數(shù)進(jìn)行試驗(yàn)，見表2。固溶處理采用箱式固溶處理爐，控溫精度為±5℃，試樣對(duì)應(yīng)參數(shù)的固溶處理完成后，在5s內(nèi)轉(zhuǎn)移至60℃的水中進(jìn)行冷卻，之后放置在時(shí)效爐中進(jìn)行時(shí)效處理。
力學(xué)性能試樣根據(jù)GB/T228-2002制作，板狀力學(xué)性能試樣尺寸見圖2，每組取9個(gè)拉伸試樣。
2試驗(yàn)結(jié)果及分析
2.1 T5熱處理對(duì)試樣抗拉強(qiáng)度的影響
為了了解熱處理前試樣內(nèi)部大型氣孔分布狀況，對(duì)試樣毛坯進(jìn)行X光拍照，見圖3�？梢钥闯�，熱處理前試樣內(nèi)部沒(méi)有檢測(cè)到大型孔洞的存在。
對(duì)不同固溶時(shí)間的試樣進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，得到的抗拉強(qiáng)度見圖4。從圖4可以看出，在500℃固溶處理0.5h后，抗拉強(qiáng)度相對(duì)于鑄態(tài)試樣有所提高，提高約為2.8%，在500℃固溶處理2h后抗拉強(qiáng)度相對(duì)于固溶處理0.5 h的試樣反而下降了1.3%左右，而且抗拉強(qiáng)度比鑄態(tài)試樣的更低。未固溶處理的試樣的抗拉強(qiáng)度的最大值約為267 M Pa，抗拉強(qiáng)度的最小值約為236
M Pa。由此可見，雖然真空壓鑄工藝可以減少壓鑄件內(nèi)部氣孔缺陷，但是真空壓鑄試樣內(nèi)部缺陷存在的不確定性較大，從而帶來(lái)了力學(xué)性能表現(xiàn)的差異較大。為了衡
強(qiáng)度的方差，方差、標(biāo)準(zhǔn)差越小，表示各個(gè)試樣抗拉強(qiáng)度之間的差距越小，抗拉強(qiáng)度值的波動(dòng)范圍越小，可以減少試樣差異對(duì)熱處理效果實(shí)際穩(wěn)定性判定帶來(lái)的影響。保留抗拉強(qiáng)度的最大值與最小值，可以了解這種熱處理參數(shù)條件下，抗拉強(qiáng)度能夠達(dá)到的最大值以及較差的抗拉強(qiáng)度的表現(xiàn)。
通過(guò)計(jì)算，鑄態(tài)試樣的抗拉強(qiáng)度的方差值為163左右，因此標(biāo)準(zhǔn)差為12.8左右，在試驗(yàn)范圍未熱處理試樣的抗拉強(qiáng)度可以表達(dá)為：253±12.8 M Pa;在500℃固溶處理0.5 h后的試樣中出現(xiàn)的抗拉強(qiáng)度的最大值約為265 M Pa，抗拉強(qiáng)度的最小值約為253 M Pa，計(jì)算得方差約為23.9左右，標(biāo)準(zhǔn)差為4.9左右，在試驗(yàn)范圍該組試樣的抗拉強(qiáng)度可以表達(dá)為：260±4.9 M Pa;在500℃固溶處理2h后的試樣中出現(xiàn)的抗拉強(qiáng)度的最大值約為293 M Pa，抗拉強(qiáng)度的最小值約為216 M Pa，計(jì)算得方差約為1 023.8左右，標(biāo)準(zhǔn)差為32左右，在試驗(yàn)范圍該組試樣的抗拉強(qiáng)度可以表達(dá)為：250土32 M Pa。由此可見，鑄態(tài)試樣的抗拉強(qiáng)度存在一定的不均勻性；在500℃固溶處理0.5 h后，抗拉強(qiáng)度的穩(wěn)定性有了一定的提高，標(biāo)準(zhǔn)差僅為4.9左右；在500℃固溶處理2h后，抗拉強(qiáng)度的標(biāo)準(zhǔn)差變得非常大，比鑄態(tài)試樣抗拉強(qiáng)度的標(biāo)準(zhǔn)差還要高出許多，說(shuō)明此時(shí)內(nèi)部缺陷的發(fā)展差異較大，嚴(yán)重影響了試樣的抗拉強(qiáng)度表現(xiàn)的均勻性，如果該種工藝參數(shù)下的真空壓鑄件進(jìn)行了500℃×2 h+150℃×5h的熱處理，雖然有的部位可能出現(xiàn)抗拉強(qiáng)度提升較大的現(xiàn)象，但是，也有很大的可能性出現(xiàn)工件局部性能非常低的現(xiàn)象，這種熱處理工藝對(duì)于該種工藝參數(shù)的真空壓鑄件來(lái)說(shuō)，具有十分大的風(fēng)險(xiǎn)。
2.2 T5熱處理對(duì)伸長(zhǎng)率的影響
拉伸試樣伸長(zhǎng)率見圖5。從整體上看，在500℃下，隨著固溶處理時(shí)間的增加，伸長(zhǎng)率呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。真空壓鑄試樣在500℃固溶處理0.5 h后，相對(duì)于鑄態(tài)試樣，伸長(zhǎng)率略微出現(xiàn)下降，從1. 9%降至1.85%，降幅約為2.6%；在500℃固溶處理2 h后，伸長(zhǎng)率進(jìn)一步下
降至1. 84%。未固溶處理的試樣中出現(xiàn)的伸長(zhǎng)率的最大值約為2. 11%，伸長(zhǎng)率的最小值約為1.71%。在500℃固溶0.5 h后伸長(zhǎng)率最大值約為1.96%，最小值約為1.74%；在500℃固溶處理2 h后的試樣中出現(xiàn)的伸長(zhǎng)率最大值約為2.19%，最小值約為1.43%。
伸長(zhǎng)率的標(biāo)準(zhǔn)差與抗拉強(qiáng)度的標(biāo)準(zhǔn)差類似，在500℃固溶處理0.5 h后，伸長(zhǎng)率的標(biāo)準(zhǔn)差最小，固溶處理2 h后標(biāo)準(zhǔn)差最大，并且大于未固溶處理時(shí)試樣伸長(zhǎng)率的標(biāo)準(zhǔn)差。
在500℃固溶處理2h對(duì)真空壓鑄試樣的抗拉強(qiáng)度及伸長(zhǎng)率帶來(lái)的風(fēng)險(xiǎn)較大，可以推測(cè)，長(zhǎng)時(shí)間固溶處理會(huì)帶來(lái)更大的風(fēng)險(xiǎn)。結(jié)合前期研究結(jié)果可知，在500℃固溶4h，共晶形貌分布的優(yōu)化程度與固溶處理時(shí)間呈正相關(guān)關(guān)系，有可能使抗拉強(qiáng)度得到提升，但是抗拉強(qiáng)度還取決于內(nèi)部缺陷的分布，尤其是氣孔等缺陷的分布。真空壓鑄件內(nèi)部的氣孔缺陷分布位置具有不確定，所以很難預(yù)測(cè)壓鑄件在T5熱處理過(guò)程中實(shí)際力學(xué)性能的變化情況。在前期試驗(yàn)中，觀察到真空壓鑄發(fā)動(dòng)機(jī)缸體的缸套位置很少有大于20μm的氣孔，但是存在微細(xì)氣孔，這些微細(xì)氣孔在固溶處理過(guò)程中的長(zhǎng)大可能導(dǎo)致抗拉強(qiáng)度降低，甚至造成鑄件報(bào)廢。
試驗(yàn)結(jié)果表明，真空壓鑄試樣在500℃固溶0.5 h，相對(duì)于鑄態(tài)，可以得到較好的綜合力學(xué)性能，雖然會(huì)稍微降低伸長(zhǎng)率，但是試樣抗拉強(qiáng)度的穩(wěn)定性和伸長(zhǎng)率的穩(wěn)定性都得到提升，對(duì)真空壓鑄件進(jìn)行熱處理時(shí)，需要平衡Si相、Cu元素等優(yōu)化帶來(lái)的正影響與內(nèi)部缺陷擴(kuò)大帶來(lái)的負(fù)影響，不同的真空壓鑄工藝對(duì)應(yīng)的熱處理工藝會(huì)有所不同。
3 結(jié) 論
(1)真空壓鑄件經(jīng)過(guò)500℃×0.5 h+150℃×5hT5處理后的試樣抗拉強(qiáng)度有小幅提高，伸長(zhǎng)率略有降低。
(2)真空壓鑄件內(nèi)部缺陷，尤其是氣孔等缺陷的分布，對(duì)試樣熱處理后的力學(xué)性能有較大的影響，隨著固溶處理時(shí)間延長(zhǎng)，影響將會(huì)越大。
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