分級(jí)固溶對(duì)ZL114A鋁合金組織與性能的影響

閆峰，趙強(qiáng)，肖遠(yuǎn)倫，黃志偉，寧海青，鄧天泉，孫昌健，趙高瞻

(1.遼沈工業(yè)集團(tuán)有限公司，沈陽(yáng) 110045;2.西南技術(shù)工程研究所，重慶 400039;3.國(guó)防科技工業(yè)精密塑性成形技術(shù)研究應(yīng)用中心，重慶 400039)

ZL114A鋁合金具有很高的強(qiáng)度和韌性，良好的流動(dòng)性、氣密性和抗熱裂性，能鑄造復(fù)雜形狀的高強(qiáng)度鑄件，廣泛應(yīng)用于航空、航天、汽車等領(lǐng)域[1－2]。為提高鑄造鋁合金的綜合性能，國(guó)內(nèi)外學(xué)者在調(diào)控合金時(shí)效析出組織、優(yōu)化合金成分、凈化處理、變質(zhì)處理等方面做了大量的工作，但對(duì)其固溶工藝的研究涉及較少。鋁合金產(chǎn)品的質(zhì)量與固溶溫度和保溫時(shí)間有密切關(guān)系，近年來(lái)研究表明[3－4]，采用分級(jí)逐步升溫固溶，最終固溶溫度超過(guò)多相共晶溫度時(shí)不會(huì)產(chǎn)生過(guò)燒組織，殘余可溶結(jié)晶相的固溶程度和合金力學(xué)性能均有所提高。

以ZL114A鋁合金為基礎(chǔ)，采用分級(jí)逐步升溫固溶的方法，在升溫到極限固溶溫度前，預(yù)先在低溫保溫一定時(shí)間，然后再升溫到高溫。固溶后對(duì)試樣進(jìn)行淬火并時(shí)效，分析了ZL114A鋁合金固溶溫度和保溫時(shí)間對(duì)組織和性能的影響，確定了最佳的固溶工藝。

1 試驗(yàn)方法

1.1 試樣制備

試驗(yàn)材料為ZL114A鋁合金，化學(xué)成分見表1。采用40 kW電阻爐熔煉合金，裝爐前，爐料經(jīng)過(guò)預(yù)先吹砂，除去油污、銹蝕和污垢后充分干燥，所有材料均預(yù)熱至200～300℃，保持1 h左右。熔煉時(shí)先預(yù)熱至400℃，溫度達(dá)到730℃時(shí)加ZS-AJ05C溶劑進(jìn)行精煉除氣，檢測(cè)含氣量，達(dá)標(biāo)后打渣，然后澆注成滿足GB/T 1173—1995的標(biāo)準(zhǔn)拉伸試樣。

表1 ZL114A鋁合金的化學(xué)成分Table1 The chemical composition of ZL114A alloy%

1.2 試驗(yàn)方案

澆注的拉伸試樣分為3組，分別命名為1號(hào)、2號(hào)、3號(hào)合金試樣。分別采用a，b，c方案對(duì)3組試樣在RJJ-36-6井式空氣循環(huán)電阻爐中進(jìn)行常規(guī)固溶和分級(jí)固溶熱處理。固溶處理結(jié)束后，試樣在40℃溫水中進(jìn)行淬火，最后統(tǒng)一在SX2-2.5-10型箱式電阻爐中進(jìn)行時(shí)效處理，合金試樣熱處理工藝參數(shù)見表2。

熱處理完后，采用CMT-5105微機(jī)控制萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)檢測(cè)試樣的抗拉強(qiáng)度和伸長(zhǎng)率，用XJP-2C光學(xué)顯微鏡觀察試樣的顯微組織，采用X-650型掃描電鏡觀察試樣拉伸斷口形貌，利用D/MAX-RA型X射線衍射儀對(duì)合金試樣進(jìn)行物相分析。

表2 試桿熱處理工藝參數(shù)Table2 The heat treatment parameters of ZL114A alloy samples

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 固溶處理對(duì)合金性能的影響

對(duì)1號(hào)、2號(hào)、3號(hào)合金試樣采用a，b，c等3種方案進(jìn)行固溶處理，然后統(tǒng)一進(jìn)行時(shí)效處理后，對(duì)合金試樣進(jìn)行室溫拉伸、力學(xué)性能檢測(cè)，結(jié)果如圖1所示。

圖1 不同固溶工藝下合金的力學(xué)性能Fig.1 Mechanical properties of ZL114A alloy in different solution treatments

從圖1可以發(fā)現(xiàn)，采用常規(guī)固溶處理的1號(hào)合金試樣抗拉強(qiáng)度σb僅為298 MPa，而一級(jí)分級(jí)固溶處理的2號(hào)合金試樣抗拉強(qiáng)度σb達(dá)到315 MPa，二級(jí)分級(jí)固溶處理的3號(hào)合金試樣抗拉強(qiáng)度σb達(dá)到335 MPa，分級(jí)固溶處理比常規(guī)固溶處理合金的抗拉強(qiáng)度值提高了6%～12%。對(duì)比3組合金試樣的伸長(zhǎng)率發(fā)現(xiàn)，1號(hào)合金試樣的伸長(zhǎng)率δ為3.5%，2號(hào)合金試樣為3.8%，3號(hào)合金試樣為4.0%，分級(jí)固溶處理比常規(guī)固溶處理合金的伸長(zhǎng)率提高了8%～14%。分級(jí)固溶處理在300℃和450℃分別保溫1 h，有利于強(qiáng)化相Mg2Si等充分地熔解到α-Al基體中，共晶硅熔斷轉(zhuǎn)化為顆粒狀，采用分級(jí)固溶處理能有效地提高合金的力學(xué)性能。

2.2 固溶處理對(duì)合金組織的影晌

鑄態(tài)和采用a，b，c等3種方案進(jìn)行固溶處理并時(shí)效后合金試樣的金相顯微組織如圖2所示?？梢钥闯?，ZL114A合金鑄態(tài)組織主要由α-Al、片狀的共晶Si、Mg2Si及雜質(zhì)鐵相等組成。試驗(yàn)樣品未進(jìn)行變質(zhì)處理，共晶Si呈粗大的片狀，分枝較少，試驗(yàn)結(jié)果與文獻(xiàn)[5]基本一致。1號(hào)合金試樣采用常規(guī)固溶處理，由于Mg2Si升溫太快而未能較好地固溶進(jìn)α-Al基體中，共晶Si由連續(xù)網(wǎng)狀斷開成球狀，絕大多數(shù)Si相已熔斷，但少量的粗大呈桿狀Si相仍然存在。由于2號(hào)合金試樣實(shí)行了在300℃保溫1 h的階梯升溫，共晶硅開始部分轉(zhuǎn)化為顆粒狀或短棒狀，以短棒狀為主，Mg2Si數(shù)量大量減少。由于3號(hào)合金試樣實(shí)行了在300℃和450℃分別保溫1 h兩級(jí)階梯升溫，共晶硅大部分轉(zhuǎn)化為顆粒狀，Mg2Si數(shù)量明顯減少，固溶效果良好，各相分布也相對(duì)均勻。

圖2 不同固溶處理合金試樣的金相組織Fig.2 The microstructure of ZL114A alloy in different solution treatments

熱處理后的1號(hào)、2號(hào)和3號(hào)合金試樣的拉伸斷口在透射電鏡下的顯微組織如圖3所示。比較圖3a，b，c可知，合金試樣的斷口均是由韌性斷裂與脆性斷裂組成的混合性斷裂，常規(guī)固溶處理后的1號(hào)合金試樣的拉伸斷口有許多較大的解理面，晶粒比較粗大，韌窩少，呈脆性斷裂[6]。采用一級(jí)分級(jí)固溶處理的2號(hào)合金試樣存在較多細(xì)小的韌窩，和少量較小的解理面，塑性較好。采用二級(jí)分級(jí)固溶處理的3號(hào)合金試樣則大、中、小韌窩并存，韌窩多且細(xì)小，該狀態(tài)的合金具有良好的塑性且晶粒細(xì)小，呈韌性斷裂[7－8]。

圖3 不同固溶處理合金試樣拉伸斷口形貌Fig.3 The SEM microgrphs showing the fractured surface of ZL114A alloy in different solution treatments

熱處理后的1號(hào)、2號(hào)和3號(hào)合金試樣的X射線衍射物相分析結(jié)果如圖4所示。發(fā)現(xiàn)ZL114A鋁合金中的組織主要是由α-Al、共晶Si及Mg2Si相組成。采用常規(guī)固溶處理的1號(hào)合金試樣晶界處的Mg2Si相含量較高，而采用分級(jí)固溶處理的2號(hào)和3號(hào)合金試樣中Mg2Si相的含量開始大量減少。這是因?yàn)榉旨?jí)固溶處理實(shí)行了在300℃和450℃分別保溫1 h的階梯升溫，使Mg2Si相能較好地在α-Al基體中固溶。

圖4 不同固溶處理合金試樣的X射線衍射圖Fig.4 The XRD patterns of ZL114A alloy in different solution treatments

3 結(jié)語(yǔ)

1)300℃×1 h+450℃×1 h+535℃×12 h分級(jí)固溶處理及175℃ ×6 h時(shí)效后的ZL114A鋁合金試樣的屈服強(qiáng)度σb=335 MPa，伸長(zhǎng)率δ=4.0%。

2)相對(duì)常規(guī)固溶處理，ZL114A鋁合金試樣經(jīng)分級(jí)固溶處理后，共晶硅大部分轉(zhuǎn)化為顆粒狀，Mg2Si數(shù)量明顯減少，具有良好的塑性且晶粒細(xì)小，固溶效果良好，各相分布也相對(duì)均勻。

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