固溶時(shí)間對(duì)擠壓鑄造ZL205A合金力學(xué)性能和組織的影響

鞍山市糧食科學(xué)研究所

摘 要：研究了固溶時(shí)間對(duì)ZL205A合金微觀組織和性能的影響。當(dāng)固溶溫度為538℃，當(dāng)固溶時(shí)間低于10h時(shí)，ZL205A合金的抗拉強(qiáng)度隨著固溶時(shí)間的增加，之增加；固溶時(shí)間繼續(xù)增加，使鑄件內(nèi)部組織過(guò)燒，影響鑄件力學(xué)性能，鑄件抗拉強(qiáng)度和伸長(zhǎng)率下降。

關(guān)鍵詞：性能

一、前言

ZL205A 合金是我國(guó)自行研制的一種高強(qiáng)度鑄造鋁合金，廣泛應(yīng)用于航天航空等領(lǐng)域。目前，ZL205A 高強(qiáng)鑄造鋁合金優(yōu)異的性能已為我國(guó)航天上重要承力結(jié)構(gòu)件的選材應(yīng)用開(kāi)辟了新的途徑。而選擇合適的熱處理工藝可縮短企業(yè)生產(chǎn)周期，提高材料的綜合性能，給企業(yè)帶來(lái)更好的經(jīng)濟(jì)效益。為此，本實(shí)驗(yàn)探討了固溶處理對(duì)ZL205A的組織和性能的影響。

二、實(shí)驗(yàn)材料和方法

選擇實(shí)驗(yàn)用的合金成分為（wt，%）5Cu、0.6Mn、0.25Ti、0.2Cd、0.1Zr、0.2V、0.005B、Mg≤0.05、Si≤0.06、Fe≤0.15，其余為鋁。采用坩堝電阻爐進(jìn)行熔煉，溫度達(dá)到780℃， 用石墨攪拌棒將熔液攪拌均勻， 730℃時(shí)經(jīng)過(guò)精煉，撇渣，保溫10 min，710澆注的試驗(yàn)用鋁。鑄件分別在515℃，523℃，530℃，538℃，545℃時(shí)進(jìn)行固溶處理，固溶時(shí)間為10h，最后出爐水淬。在鑄件力學(xué)性能最好的固溶處理溫度下，調(diào)整固溶時(shí)間，固溶時(shí)間為4h、6h、8h、10h、12h，然后出爐水淬。

固溶處理后選取具有典型力學(xué)性能的試棒制備金相試樣，并用XJL-02型立式金相顯微鏡、JXA-840型掃描電子顯微鏡對(duì)不同工藝參數(shù)、不同熱處理狀態(tài)下的試樣進(jìn)行組織形貌觀察分析。

三、實(shí)驗(yàn)結(jié)果和討論

（一）固溶時(shí)間的影響

前面得到了鑄件最佳的熱處理固溶溫度為538℃，當(dāng)固溶溫度確定為538℃時(shí)，鑄件固溶強(qiáng)化效果的好壞主要由固溶時(shí)間決定了，固溶時(shí)間的長(zhǎng)短直接決定了鑄件的生產(chǎn)率和能源的利用率，所以，固溶處理過(guò)程中固溶時(shí)間的選擇也是一個(gè)十分重要的環(huán)節(jié)。擠壓后的試樣，在固溶溫度為538℃時(shí)，試樣的固溶時(shí)間分別為4h、6h、8h、10h、12h，之后出爐水淬，表1為鑄件固溶溫度為538℃的條件下，固溶時(shí)間分別為4h、6h、8h、10h、12h時(shí)所對(duì)應(yīng)的鑄件的抗拉強(qiáng)度和伸長(zhǎng)率。

由表1可以看出，固溶處理后的ZL205A合金抗拉強(qiáng)度和伸長(zhǎng)率都有著一定程度的提高。從圖1中還可發(fā)現(xiàn)，鑄件經(jīng)過(guò)4h的固溶處理后，鑄件抗拉強(qiáng)度提高明顯，較固溶前提高了48.4%，固溶時(shí)間繼續(xù)增加時(shí)，鑄件的抗拉強(qiáng)度繼續(xù)增加，當(dāng)固溶時(shí)間達(dá)到10h后，鑄件的抗拉強(qiáng)度達(dá)到最高值381.2 MPa，相比于固溶時(shí)間為4h時(shí)的抗拉強(qiáng)度提高了7.5%，當(dāng)固溶時(shí)間繼續(xù)增長(zhǎng)時(shí)，鑄件抗拉強(qiáng)度反而開(kāi)始下降，而且伸長(zhǎng)率的變化趨勢(shì)和抗拉強(qiáng)度的變化趨勢(shì)基本保持一致。

鑄件經(jīng)過(guò)固溶處理以后，元素固溶到α基體中，其中銅元素為主要的固溶強(qiáng)化元素，固溶后鑄件的抗拉強(qiáng)度和伸長(zhǎng)率顯著的提高。從圖4（a）與4（b）的對(duì)比中明顯可見(jiàn)，未經(jīng)過(guò)固溶處理的鑄件，其組織的晶界處的析出了粗大的相，析出的相成連續(xù)的網(wǎng)狀分布，網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)使得基體割裂嚴(yán)重，影響其力學(xué)性能。固溶處理后的鑄件的力學(xué)性能顯著增加，鑄件經(jīng)保溫4h的固溶處理后，顯微組織如圖4（b）所示，基體的晶界處的析出的相明顯變少，而且形狀也開(kāi)始變小，是因?yàn)殍T件固溶處理后大部分晶界的析出相已經(jīng)溶解到α基體中，只有一小部分呈短棒狀的析出相呈彌散性的分布。因此鑄件經(jīng)4h固溶處理后，銅元素大部分固溶到以α基體的固溶體中，使Al-Cu合金的固溶強(qiáng)化作用增強(qiáng)，晶界之間未固溶的相，其組織形態(tài)分布情況也發(fā)生了改變，由未固溶處理時(shí)的連續(xù)的網(wǎng)狀分布的析出相變?yōu)榧?xì)小的短棒狀的析出相，且析出相呈彌散分布，這樣就避免了析出相對(duì)α基體的割裂，鑄件的抗拉強(qiáng)度較為固溶前下大幅提高。圖4（b）和圖4（c）的金相顯微組織圖對(duì)比可見(jiàn)，當(dāng)保溫時(shí)間由4h增加到10h時(shí)，固溶時(shí)間的增加改變了晶界處相的數(shù)量和形貌，圖4（c）晶界之間的析出相大多數(shù)都固溶到α基體中，未固溶相的數(shù)量很少，固溶體的晶界已基本消失，析出相主要分布情況為點(diǎn)狀彌散，鑄件固溶處理進(jìn)行的十分充分。由于固溶時(shí)間的增長(zhǎng)，銅元素固溶到固溶體的量增加，而且固溶的更加充分，使得固溶強(qiáng)化效果提高，未固溶的晶間相，在組織中呈彌散分布，起到晶間強(qiáng)化的作用，鑄件的力學(xué)性能進(jìn)一步提高，因此，鑄件保溫10h后的力學(xué)性能要高于鑄件保溫4h后的的力學(xué)性能，抗拉強(qiáng)度和伸長(zhǎng)率由354.1MPa、10.2%上升到381.2MPa、11.6%。當(dāng)然了，并不是固溶時(shí)間越長(zhǎng)越好，固溶時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，晶粒容易長(zhǎng)大變粗，鑄件內(nèi)部也容易過(guò)燒，如圖2（d）所示。

從圖4（a）與4（b）的對(duì)比中明顯可見(jiàn)，未經(jīng)過(guò)固溶處理的鑄件，其組織的晶界處的析出了粗大的相，析出的相成連續(xù)的網(wǎng)狀分布，網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)使得基體割裂嚴(yán)重，影響其力學(xué)性能。固溶處理后的鑄件的力學(xué)性能顯著增加，鑄件經(jīng)保溫4h的固溶處理后，顯微組織如圖4（b）所示，基體的晶界處的析出的相明顯變少，而且形狀也開(kāi)始變小，是因?yàn)殍T件固溶處理后大部分晶界的析出相已經(jīng)溶解到α基體中，只有一小部分呈短棒狀的析出相呈彌散性的分布。因此鑄件經(jīng)4h固溶處理后，銅元素大部分固溶到以α基體的固溶體中，使Al-Cu合金的固溶強(qiáng)化作用增強(qiáng)，晶界之間未固溶的相，其組織形態(tài)分布情況也發(fā)生了改變，由未固溶處理時(shí)的連續(xù)的網(wǎng)狀分布的析出相變?yōu)榧?xì)小的短棒狀的析出相，且析出相呈彌散分布，這樣就避免了析出相對(duì)α基體的割裂，鑄件的抗拉強(qiáng)度較為固溶前下大幅提高。圖4（b）和圖4（c）的金相顯微組織圖對(duì)比可見(jiàn)，當(dāng)保溫時(shí)間由4h增加到10h時(shí)，固溶時(shí)間的增加改變了晶界處相的數(shù)量和形貌，圖4（c）晶界之間的析出相大多數(shù)都固溶到α基體中，未固溶相的數(shù)量很少，固溶體的晶界已基本消失，析出相主要分布情況為點(diǎn)狀彌散，鑄件固溶處理進(jìn)行的十分充分。由于固溶時(shí)間的增長(zhǎng)，銅元素固溶到固溶體的量增加，而且固溶的更加充分，使得固溶強(qiáng)化效果提高，未固溶的晶間相，在組織中呈彌散分布，起到晶間強(qiáng)化的作用，鑄件的力學(xué)性能進(jìn)一步提高，因此，鑄件保溫10h后的力學(xué)性能要高于鑄件保溫4h后的的力學(xué)性能，抗拉強(qiáng)度和伸長(zhǎng)率由354.1MPa、10.2%上升到381.2MPa、11.6%。當(dāng)然了，并不是固溶時(shí)間越長(zhǎng)越好，固溶時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，晶粒容易長(zhǎng)大變粗，鑄件內(nèi)部也容易過(guò)燒，如圖4（d）所示。

由以上的圖表和分析可得，Al-Cu合金擠壓鑄造以后力學(xué)性能照比未擠壓前提高很多，而擠壓鑄造后的Al-Cu合金經(jīng)固溶處理后其力學(xué)性能更是顯著提高，而且固溶時(shí)間很短時(shí)就能達(dá)到很好的固溶強(qiáng)化效果，經(jīng)固溶時(shí)間為4h處理后的Al-Cu合金抗拉強(qiáng)度和伸長(zhǎng)率為354.1 MPa 和10.2%。抗拉強(qiáng)度相對(duì)于未固溶的提高了48.4%，伸長(zhǎng)率提高了10.8%。隨著固溶時(shí)間的增加，鑄件的抗拉強(qiáng)度和伸長(zhǎng)率繼續(xù)上升，但是提高的幅度并不是很大，增長(zhǎng)趨勢(shì)趨于平緩。當(dāng)固溶時(shí)間由4h增加到10h時(shí)，相對(duì)于固溶4h時(shí)，鑄件的抗拉強(qiáng)度和伸長(zhǎng)率只提高了7.7%和12.7%。鑄件經(jīng)過(guò)4h固溶處理后，其力學(xué)性能已經(jīng)顯著提高，固溶時(shí)間很短的情況下固溶強(qiáng)化效果已經(jīng)非常明顯，晶界間的析出相大部分都已經(jīng)固溶到固溶體中，起到了很好的強(qiáng)化效果，所以固溶強(qiáng)化速度還是很迅速的。

究其原因，固溶速度的加速擠壓壓力造成的。壓力使Al-Cu合金在擠壓凝固過(guò)程中凝固速度變快，合金中的溶質(zhì)元素由于擴(kuò)散時(shí)間的變短，其擴(kuò)散速度也降低，溶質(zhì)元素大多還在固溶體內(nèi)，只有一小部分?jǐn)U散出來(lái)[8-9]。擠壓過(guò)程中，壓力使凝固合金發(fā)生一定的塑性變形，使晶格產(chǎn)生空位缺陷，空位濃度增大，晶界增多，晶界的增多更加加快了固溶處理時(shí)，基體內(nèi)部原子的擴(kuò)散的速度，所以固溶處理速度變快。

四、結(jié)語(yǔ)

當(dāng)固溶溫度為538℃，隨著固溶時(shí)間的增加，ZL205A合金的抗拉強(qiáng)度也隨之增加，當(dāng)固溶時(shí)間為10h時(shí)，固溶效果最好，固溶時(shí)間繼續(xù)增加，使鑄件內(nèi)部組織過(guò)燒，影響鑄件力學(xué)性能，鑄件抗拉強(qiáng)度和伸長(zhǎng)率下降。

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