快速凝固Al_21Si_0_8Mg_1_5Cu合金时效析出行为_王爱琴

第1期1月

材料热处理学报

Vol．34January

No．12013

TRANSACTIONSOFMATERIALSANDHEATTREATMENT

21Si-0.8Mg-1.5Cu合金时效析出行为快速凝固Al-王爱琴

1，2

，谢敬佩1，王文焱1，李继文1，李洛利1

（1．河南科技大学材料科学与工程学院，河南洛阳471003；

2．河南省有色金属材料科学与加工技术重点实验室，河南洛阳471003）

摘

21Si-0.8Mg-1.5Cu合金条带，要：利用单辊旋转甩带法制备快速凝固过共晶Al-并对其进行时效处理，采用扫描电镜、透射电

镜及XRD技术对快速凝固组织特征进行了表征，研究了时效温度对合金组织及硬度的影响。结果表明：在快速凝固条件下，试Mg全部固溶在过饱和α-Al固溶体中；大量的Si过饱和验合金中初生硅相的形核和析出受到抑制，α相领先析出，合金元素Cu、固溶于α中，其余部分以羽毛针列状共晶形式析出，形成微纳米级亚稳的亚共晶结构。时效处理时，随着时效温度的升高，硅元素从基体中脱溶析出并逐渐聚集长大，形成微小颗粒弥散基体之上；试验合金的显微硬度也发生了变化，出现时效硬化现象。关键词：快速凝固；过共晶铝硅合金；微观组织；时效析出；显微硬度中图分类号：TG146.2

文献标志码：A

62（2013）01-0086-04文章编号：1009-

AgingprecipitationbehaviorofrapidlysolidifiedAl-21Si-0.8Mg-1.5Cualloy

2

WANGAi-qin1，，XIEJing-pei1，WANGWen-yan1，LIJi-wen1，LILuo-li1

（1．SchoolofMaterialsScienceEngineering，HenanUniversityofScienceandTechnology，Luoyang4710032，China；

2．HenanKeyLaboratoryofNon-ferrousMetals，Luoyang471003，China）

Abstract：ArapidlysolidifiedhypereutecticAl-21Si-0.8Mg-1.5Cualloysstripwaspreparedbysinglerollermelt-spinningmethod．Theresultantstripwasagedatdifferenttemperaturesfor4h．Microstructureoftherapidlysolidifiedalloywascharacterizedbymeansofscanningelectronmicroscopy（SEM），transmissionelectricmicroscopy（TEM）andXRD．Theeffectsofagingtemperatureonthemicrostructureandmicrohardnessoftheexperimentalalloywereinvestigated．Theresultsshowthatthenucleationandgrowthofprimarysiliconaresuppressed，meanwhile，α-Alphaseisnucleated，whichispriortoeutecticunderrapidlysolidification．AllalloyingelementsCuandMgaresupersaturatedinα-Alsolidsolution．MostofSiissupersaturatedinα-Al，therestprecipitatedbyfeather-needles-likeeutecticsiliconmicro-nanocrystals．Themetastablehypoeutecticstructureisformed．Duringagingprocess，siliconelementisprecipitatedfromthematrixandgraduallyaggregateduptoformsmallparticlesdistributedinthematrixastheincreaseofagingtemperature．Thehardnessofexperimentalalloyischanged，andage-hardenphenomenonoccurs．

Keywords：rapidsolidification；hypereutecticAl-Sialloy；microstructure；agingprecipitation；microhardness

过共晶铝硅合金具有优良的性能，广泛应用于航航空、汽车、机械等行业的高精密耐磨件天、

［1-3］

格发生严重畸变，使合金系统处于高能亚稳定状态，使用过程中在外场作用下发生过固溶元素的脱溶以及沉淀相析出，合金的性能发生变化

［4-11］

。Si

是该类合金组织中的析出相，其形状和分布与合金的力学性能密切相关。在常规铸造时，其组织中的初晶硅由于晶粒粗大，将严重割裂基体，切削加工性和韧性较差。快速凝固可以细化合金组织并能获得微纳米晶组织，使合金性能提高。但快速凝固高的冷却速度，使大量合金元素过饱和固溶于基体中，并引起晶

收稿日期：基金项目：作者简介：

2011-11-06

修订日期：

2012-01-11

。目前，颗

粒增强铝硅基复合材料多采用粉末冶金法制备，在粉末烧结过程中，将会发生硅相的析出与长大现象，制备工艺难以控制。

21Si-本文采用单辊甩带法制备快速凝固Al-0.8Mg-1.5Cu合金条带，对其时效加热过程中的组织形态变化特征进行研究，探讨快凝铝硅合金时效组织对有效控制快速凝固过共晶铝硅合金的组变化规律，

织及后续加工具有理论指导意义。

河南省国际科技合作项目（084300510006）；河南科技大王爱琴（19-），女，教授，博士，从事金属材料凝固组织

学博士科研基金（2008bs025）。

控制及强韧化研究，发表论文40余篇，获得省部级科技进步奖3项，电240800，E-mail：aiqin_wang888@163．com。话：0379-

1试验方法

%）为：21Si，试验合金的化学成分（质量分数，

第1期21Si-0.8Mg-1.5Cu合金时效析出行为王爱琴等：快速凝固Al-87

1.5Cu，0.8Mg，21%Si其余Al。金属型铸造熔配Al-多元过共晶铝硅合金。采用单辊甩带法制备快速凝固铝硅合金条带，铜辊转速1600r/min，氩气压力为0.04MPa，所得薄带厚度18μm，宽度为10mm。时260、300、340、380、420分别加热到180、效处理时，

℃，保温4h后出炉，空冷至室温。

采用Olympus-BX金相显微镜、扫描电镜、透射电3型硬度计上测镜对微观组织形貌进行分析，在MH-量合金的显微硬度，载荷为50g，保载时间5s。

图1

快速凝固合金的SEM背散射组织

2

2.1

结果及分析

试验合金快速凝固后的组织特征

铸态下多元过共晶铝硅合金变质处理后的组织

Fig．1Backscatteredelectronimageofrapidlysolidifiedalloy

为共晶基体上分布着尺寸为20～50μm的多角形块状初晶硅，共晶硅呈纤维状或短杆状，同时还有少量的合金元素的金属间化合物。快速凝固后合金组织细化，而且组织形态和相结构也发生了变化，图1是实验合金快速凝固后的组织形貌。可以看出：其组织特征为基体组织上分布着细小等轴枝晶，其主要生长方向上的长度小于1μm。

图2的XRD图谱中可以看出，与铸态组织相比，快速凝固合金硅相衍射峰高度大幅度降低，衍射峰的宽带变宽，有明显的漫散射特征。表明硅相减少，且晶粒更加细小。

图3为快速凝固合金的TEM分析及衍射斑点标定，结果表明，基体中的等轴晶为α-Al固溶体，基体组织为α+Si共晶体，共晶Si的电子衍射斑点呈多晶衍射环，表现为超细微的羽毛针列状。快速凝固使Si相析出和共晶转变受到抑制，α相领先析出。快速

Mg过饱和固溶凝固使大量的合金元素Si和全部Cu、

过共晶成分的铝硅合金形成了微纳于α-Al固溶体，

米级亚稳定的亚共晶组织。2.2

试验合金时效处理后的组织

图4为快速凝固合金的时效组织形貌。可以看

图2

21Si合金的X衍射图不同制备工艺下Al-Fig．2

XRDpatternsofAl-21Sialloy

（a）castalloy；（b）rapidlysolidifiedalloy

图3

Fig．3

21Si合金的TEM组织形貌快速凝固Al-

TEMimageshowingmicrostructureofrapid-solidifiedalloy（a）microstructure；

（b）SAEDpatternofthelocationmarkedbyarrowAin（a）；（c）calibrationofdiffractionpatternin（b）

88材料热处理学报第34卷

260℃下保温4h时，出，在180、合金的组织基本没仍然可见大量的初生α晶。300℃下保温4有变化，

h时，试验合金基体中固溶的Si及微纳米级羽毛针列状的共晶硅开始沉淀析出，但是析出的Si颗粒非常少且细小，组织变化不明显，随着时效温度的升高，从

基体中析出的硅颗粒的数量和形态在逐渐发生变化，380℃时效后，Si颗粒大量析出，呈规则的圆形颗粒状弥散分布在基体之上；420℃时效后，硅颗粒聚集长大，颗粒圆整度明显降低，出现不规则的多角形硅颗粒，其颗粒尺寸仍小于5μm。

图4

Fig．4

21Si组织形貌不同时效温度下保温4h的快速凝固合金Al-（a）180℃；（b）260℃；（c）300℃；（d）340℃；（e）380℃；（f）420℃

Microstructureofexperimentalalloyagedfor4h

2.3X衍射分析

利用X衍射对经过不同时效处理的快速凝固试

2.4试验合金显微硬度

图6是快速凝固铝硅合金显微硬度随时效温度

如图5所示。可以看出，验合金条带组织进行分析，

Si相衍射峰较时效前（图2b）明显加热到300℃时，

Si相开始析出；随着时效温度的升高，Si相衍增高，

Si相衍射峰的高度与射峰逐渐升高。380℃时效后，

Si元素几乎全部析出。XRD衍射铸态衍射峰接近，

结果与时效组织形态一致。

试验的变化曲线。可以看出：随着时效温度的升高，340℃时效后试验合合金显微硬度呈缓慢上升趋势，

金显微硬度达到最大值243.2HV，出现时效强化。

6

这是由于快速凝固使合金具有高达10℃/s以上的

冷却速度，硅元素在α-Al中的溶解度高达10%以上，铝元素在Si相中的溶解度达到7%以上，快凝后合金

图5Fig．5

不同时效工艺的快速凝固铝硅合金X衍射图谱XRDpatternsofthealloyagedatdifferenttemperatures

（a）300℃；（b）340℃；（c）380℃

图6快速凝固铝合金的时效处理温度对显微硬度的影响Fig．6

Effectofagingtemperatureonhardness

forexperimentalalloy

第1期21Si-0.8Mg-1.5Cu合金时效析出行为王爱琴等：快速凝固Al-

中α-Al和Si相均处于严重的过饱和状态，相应的晶格畸变严重，晶格点阵上的原子具有较高的势能，随着时效温度的升高，过饱和固溶的溶质原子被激活后，一部分迁移到固溶体以外发生脱溶、析出，形成弥散分布的硬相Si颗粒；另一部分迁移到固溶体的低仍然起到固溶强化作用，使试验合金具有较能位置，高的显微硬度

［12-13］

化规律与组织中析出相形态变化规律一致。

3结论

1）Al-21Si多元合金快速凝固后形成了过饱和初

生α-Al固溶体+羽毛针列状共晶组织的微纳米级亚稳组织；

2）快速凝固Al-21Si多元合金时效处理后，Si原子从α-Al固溶体及基体中脱溶析出，形成微细颗粒Si相不断聚集和粗状的Si相，随时效温度的升高，化，出现尖角形态；

3）合金的硬度峰时效热处理工艺为：340℃时效4h、空冷，硬度达243.2HV。

文

献

。随时效温度的升高，基体中过

饱和固溶Si原子完全脱溶析出，虽然Si颗粒圆整且但过饱和固溶原子对基体的固均匀分布于基体之上，

溶强化作用消失，使基体的硬度略有降低。时效温度Si相聚集长大严重，继续升高，出现多角化，并且分布不均匀，导致合金硬度降低。时效处理后合金硬度变

参

考

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