a356铸造铝合金固溶处理工艺研究（热加工图在A356合金压铸生产的应用）

a356铸造铝合金固溶处理工艺研究（热加工图在A356合金压铸生产的应用）表1A356铝合金化学成分（质量分数）图1 水冷压铸A356铝合金原始组织然而，目前研究者只针对普通重力铸造的A356合金及低压铸造工艺制备的A356合金开展过热变形研究，以上工艺制备的合金缩松、缩孔等缺陷较多且组织较为粗大，力学性能不佳。1 试验材料与方法试验所用材料为A356铝合金。采用高压铸造。模具材质为H13钢，在模具四周加设冷却水管道，A356合金在凝固时冷却速度达到102~106 ℃/s，在液相线温度616 ℃以下以5 ℃/s的速度冷却。压铸时，A356铝合金的充型温度为710 ℃。模具的初始温度为350 ℃。首先，熔融的金属被冲头以慢压射的方式充满浇道和内浇口，压射速度为0.3 m/s。然后再以快压射的方式充满铸型空腔，压射速度为5 m/s。最后通过70 MPa的高压保压，直至铸件凝固并且冷却。其铸件组织见图1，化学成分见表1。通过线切割将其加工为Φ8 mm×12 mm的圆柱

导读：通过压铸制备A356铝合金，利用热压缩试验对合金进行了热变形行为研究。分析了该合金的应力-应变曲线、建立了本构方程、绘制了热加工图。结果表明，该合金的流变应力随着应变速率的增大和变形温度的降低而增加，合金热变形过程中的软化机制主要为动态回复，同时计算得到其平均热变形激活能Q为238.6 kJ•mol-1。通过热加工图和热压缩后合金的微观组织分析，发现在温度为330~380℃和应变速率为5~10 s-1范围内该合金具有良好的热加工性能。

随着安全意识和环保意识的提高，汽车轻量化越来越被人们所重视，部分钢制汽车零部件正逐渐被铝镁合金等轻质材料所取代。其中，A356铝合金因其优良的铸造性能和力学性能被广泛应用。

α-Al固溶体和共晶Si相是A356铝合金主要的组织组成，其中α-Al具有较好的塑性，而共晶Si相较硬。当该合金受到力时，应力集中趋于在铝基体与共晶硅相之间的界面处，这容易导致微裂纹产生，从而降低了合金的韧性，并降低了合金的使用条件。

热变形不仅可以消除气孔、缩松等铸造时产生的缺陷，而且还可改变共晶Si的分布，从而达到提高合金韧性的作用。所以，热塑性变形成为提高A356铝合金强韧性的新途径，具有很好的应用前景。

然而，目前研究者只针对普通重力铸造的A356合金及低压铸造工艺制备的A356合金开展过热变形研究，以上工艺制备的合金缩松、缩孔等缺陷较多且组织较为粗大，力学性能不佳。

1 试验材料与方法

试验所用材料为A356铝合金。采用高压铸造。模具材质为H13钢，在模具四周加设冷却水管道，A356合金在凝固时冷却速度达到102~106 ℃/s，在液相线温度616 ℃以下以5 ℃/s的速度冷却。压铸时，A356铝合金的充型温度为710 ℃。模具的初始温度为350 ℃。首先，熔融的金属被冲头以慢压射的方式充满浇道和内浇口，压射速度为0.3 m/s。然后再以快压射的方式充满铸型空腔，压射速度为5 m/s。最后通过70 MPa的高压保压，直至铸件凝固并且冷却。其铸件组织见图1，化学成分见表1。通过线切割将其加工为Φ8 mm×12 mm的圆柱形压缩试样。

图1 水冷压铸A356铝合金原始组织

表1A356铝合金化学成分（质量分数）

2 真应力—真应变曲线分析

图2为A356铝合金在不同温度下进行压缩后得到的真实应力-应变曲线。

(a) 220℃ (b) 260℃ (c) 300℃ (d) 340℃ (e) 380℃ (f) 420℃

图2 不同温度下A356铝合金热变形的应力应变曲线

3 本构方程和热加工图的建立

材料的本构关系可以用来描述材料的流动应力与热变形参数之间的关系，金属的热变形可看作是一个热激活过程，流动应力、应变速率、变形温度之间的关系可以用Arrhenius动力学方程来描述。

根据动态材料模型，热变形下的材料可以看作是非线性的能量消耗系统，金属热加工过程中的能量耗散取决于金属微观结构的变化。

A356铝合金热加工图，见图5。可以看出安全区主要在区域1（温度为330~380 ℃和应变速率为5~10 s-1的范围，该区域的峰值效率为23%），而失稳区主要出现在区域2（温度为220~280 ℃和应变速率1~10s-1）和区域3（温度为220~320 ℃和应变速率0.01~0.1 s-1）。

图6为不同区域下合金的微观组织示意图。图6a为区域1的微观组织，可以看出，合金的组织发生重构，树枝状晶被破坏、α-Al发生了球化，并在相界处发现有动态回复的发生。图6b为区域2的微观组织结构，可以看出该区域的不稳定性主要表现为绝热剪切带，这是由于高应变速率下，因塑性变形产生的热量在短时间内扩散不到试样较冷的地方，从而导致流动应力减小、局部塑形流动增大造成的。图6c为区域3的微观组织结构，可以看出在该区域内合金的变形是不均匀的。

因此，在对水冷压铸A356铝合金进行热加工时应在较高温度和较高应变速率的区域1下进行。

图5 水冷压铸A356铝合金在0.7应变时的热加工图

(a)区域1

(b)区域2

(c)区域3

图6 不同变形条件下合金的微观组织

4 结论

（1）从压铸A356合金热变形的应力应变曲线及变形后其微观组织可知， A356铝合金热变形的软化机制主要为动态回复。

（2）对压铸A356合金高温变形进行了分析，其激活能的均值约为238.67314 kJ•mol-1。其热变形过程中峰值应力和变形温度、应变速率的关系可用如下热变形本构方程表述：

（3）基于动态材料模型DMM建立了热加工图，通过热加工图和热变形后的微观组织确定了该合金热加工的变形条件，表明在温度为330~380 ℃的范围和应变速率为5~10 s-1的范围材料具有良好的热加工性能。

2020年第40卷第10期 胡强 《压铸A356铝合金的热变形行为》