文：陈 龙

高真空压铸汽车减震塔的热处理工艺之二

1、 时效过程中的组织转变及对力学性能的影响

Al-Si-Mg 系合金固溶处理后经淬火形成过饱和固溶体，在后续的时效处理过程中，会析出细小弥散的纳米析出相，使得合金强度大幅度提升。本小节研究减震塔压铸件效过程中微观组织的转变过程及其对宏观力学性能的影响，有助于理解 Al Si10Mn Mg合金析出强化机理并指导热处理工艺参数的选择。

1.1 时效过程微观组织转变

采用DSC分析了Al Si10Mn Mg 合金压铸试样的时效析出过程。图1为l Si10Mn Mg压铸态合金在530 ℃固溶0.5h后淬火态的DSC曲线。从图中可以看到，Al Si10Mn Mg合金的DSC曲线在约180℃存在一个吸热峰，在20~360℃的温度区间内存在三个放热峰。结合文献，可以推测：吸热峰A对应于GP区的溶解，放热峰B、C、D分别对应于β''相的形成、β''相向β'相的转变及β'相向平衡相β（Mg2Si）的转变。

图2为Al Si10Mn Mg合金试样经480℃固溶0.5h并在180℃时效4 h、6 h及24h后的 TEM 明场像及高分辨图，所有图像均在[001]Al晶带轴下观察得到。从图2(a1)中可以看到，试样经180℃时效4h后，铝基体中分布着大量针状析出相及粒状析出相。通过放大图2(a2)可以看出针状析出相沿着基体[001]方向生长，而粒状析出相则为针状析出相的端面。从高分辨图2(a3)（针状析出相的纵面）及图2(a4)（针状析出相的端面）中可以看出，这种针状析出相与基体之间保持共格界面，并呈现为单斜结构，结合文献，可以判定该相为β''相。当时效时间延长到6h后，从图2(b1)可以看到，针状析出相β''的长度增加很多，但密度却显著降低，通过高分辨图2(b3)进一步观察到β''相直径变大，并观察到 β''相与基体之间的应变衬度场，说明随着 ''相的长大，其与基体之间的晶格畸变增加。从图2(b2)可以看到，在基体中分布着两种尺寸的粒状析出相，其中大尺寸的为 β''相的端面，在基体中分布较少；而小尺寸的析出相则随机分布于基体中，图2(b4)为这些相的高分辨图，这些析出相可能是GP区和β''相之间的过渡相。当时效时间延长到24h 后，针状析出相的密度有所提高，并在其中观察到棒状的β'相，如高分辨图2(c3)所示，β'相与基体保持半共格关系，图2(c4)为 β'相的纵面。

图3为Al Si10Mn Mg合金试样经530℃固溶0.5h后在不同时效温度下的 TEM 明场像及高分辨图。从图3(a)中可以看出，在180℃时效2h后的试样中，基体中存在大量的针状析出相β''，相比于180℃时效4h后的试样，β''相的密度更高，但尺寸更小。从高分辨图3(e)中可以进一步看到，铝基体中除了β''相外，还能观察到富集溶质原子偏聚形成的 GP 区，GP区富含Si和Mg原子，引起晶格畸变，故能看到明显的应变场衬度。图3(b)和图3(c)分别为220℃时效0.5h及250℃时效0.25 h后的试样TEM图。可以看到，随着时效温度的提升，基体中针状析出相的尺寸逐渐变大，密度逐渐变小，而所需的时间却成倍的减少。这是因为温度的升高使得原子扩散能力提高并促进了相的析出。此外，在图3(c)中还可以看到少量板条状析出相，图3(f)为其高分辨图，该析出相的长度方向与[001]Al之间的夹角约为 10 度，形态及取向非常接近有关报道的B'析出相，因此推测这种析出相为B'相。在180℃时效2h及250℃时效0.25 h的试样中，还能观察到如图3(d)所示的长度为0.1~2μm的短棒状或针状析出相，其背景为大量针状β''析出相。Srivastava在研究 AlSi9MnMg 经T6热处理后的微观组织中同样观察到了这种析出相，据其报道，这种析出相为AlMnSi相。

1.2 时效过程中试样力学性能的变化

图4为AlSi10Mn Mg合金试样经480℃固溶0.5h后在180℃、220℃、250 ℃三组时效温度下的拉伸性能变化曲线。合金时效后的强度与析出相的尺寸大小、密度及尺寸分布密切相关。以180℃的屈服强度变化曲线为例，当时效时间低于1h时，合金的屈服强度增长较为缓慢，此时合金中析出相为低密度小尺寸的β''及强化效果较弱的GP 。当时效时间增加到 2h，基体中开始大量形成β''，合金的屈服强度急剧提升。当时效时间增加到4h时，基体中针状β''相的密度达到最大，合金的屈服强度达到最大值。但是，当时效时间进一步延长时，屈服强度却开始急剧下降，到6h 时达到了一个最低值，而后随着时效时间的延长又开始逐步升高，呈现出一种类似双峰时效的特征。这种现象在固溶温度为460 、505℃的180℃时效硬度曲线上也同样观察到，在固溶温度为530℃的180℃效强度曲线上也观察到轻微的双峰特征，但在其他时效温度下却没有观察到类似的特征，说明这种现象取决于时效温度的高低。从图1(a1, b1, c1)中的β''相组织的变化可以看出，当时效时间为6h时，β''相的密度急剧降低，尺寸显著增大，而基体中细小的黑色颗粒相增多。β''出相密度降低及尺寸增大导致析出相的强化效果降低。而当时效时间进一步延长到24h时，析出相的尺寸并没有明显增大，其密度却有所提升，这使得合金试样的强度又有所增加。这种在力学性能曲线上出现的类似双峰时效的特征，其形成原因可能与过时效阶段 β''相的溶解及长大有关。过时效阶段，在表面能的驱动下，尺寸较小的β''针状析出相逐渐溶解，可能形成如图1(b4)所示的粒状过渡相，少量β''析出相得以继续长大，β''析出相的密度降低，合金强度下降。当时效时间进一步延长，大尺寸的β''析出相不断增多，合金的强度又有所提升。β''析出相增大，导致其与铝基体之间的界面晶格畸变增大，β''相开始向半共格的β'相转变，合金的强度又逐渐下降。

从图4中还可以看到，随着时效温度的提高(180℃, 220℃, 250℃)，形成针状析出相的孕育期缩短，达到峰值时效的时间也大幅缩短(4h, 1h, 0.5h)，屈服强度明显降低(213MPa, 173MPa, 150MPa)。从图3(a~c)可以看出，时效温度升高，峰值时效时析出相的密度急剧减小，尺寸急剧增大。这是因为温度的升高导致硅和镁原子的扩散系数增，析出相的形核与生长速率增大。时效温度的升高，使得合金的伸长率随时间下降的趋势变缓；在过时效阶段，合金的伸长率随着时效时间的延长又有所上升。  

图5为 Al Si10Mn Mg合金试样经530℃固溶0.5h后在180℃、220℃、250℃三组时效温度下的拉伸性能变化曲线。相较图4，可以看出固溶温度的提升使得合金试样时效后的峰值强度有所增加，同时时效所需的孕育期缩短，达到峰值时效的时间也有所减少（2h，0.5h，0.25h）。这是因为固溶温度的提高，使得基体中 Mg 元素的溶解度提高，析出相的形核驱动力增大，故所需的时间减少。

T6热处理时效温度的提升会使合金试样的力学性能下降，但对实际生产来说却有十分重要的意义。对于减震塔来说，通常其力学性能要求为（屈服强度120MPa，抗拉度强180MPa伸长率10%。当铸件试样在480℃固溶 0.5h并在250℃时效0.5h 后其屈服强度依然能够达到150MPa，能满足减震塔的使用要求，但所需的时间却大为减，有效地提高了生产效率。