ZL101鋁合金制汽車轉(zhuǎn)向節(jié)二次熱處理的性能研究

黃長(zhǎng)虹，葉錦華，付金海

(蘇州安路特汽車部件有限公司，江蘇 蘇州 215000)

ZL101鋁合金是一種可進(jìn)行熱處理強(qiáng)化的鋁硅鎂系鑄造鋁合金，具有優(yōu)良的鑄造工藝性能、耐蝕性能和焊接性能[1]。ZL101也是目前國(guó)內(nèi)生產(chǎn)汽車零部件的主要材料[2]，廣泛應(yīng)用于轉(zhuǎn)向節(jié)、控制臂、副車架和汽車發(fā)動(dòng)機(jī)等。該材料的鑄造性能較好，在適當(dāng)?shù)臒崽幚項(xiàng)l件下，抗拉強(qiáng)度可達(dá)300 MPa，延伸率可達(dá)8%～10%，在汽車的輕量化趨勢(shì)中成為鋼鐵汽車部件的替代品；但在一次熱處理工藝正常的情況下，鑄件檢測(cè)存在強(qiáng)度合格而延伸率不合格的情況，而在斷口上并無(wú)夾渣、縮孔和氣孔等明顯缺陷。針對(duì)上述問(wèn)題，本文在使用相同的化學(xué)成分、精煉效果、鑄造機(jī)、模具和模穴、熱處理設(shè)備和工藝條件下，在零件本體上取樣測(cè)試，對(duì)一次熱處理和二次熱處理的性能和顯微組織差異進(jìn)行了研究。

1 試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)樣品選擇一澆包鋁液精煉合格后經(jīng)過(guò)鑄造機(jī)壓鑄成零件，且為同一模穴相鄰模次的2個(gè)零件。將樣品均勻分布到起始至結(jié)束模次的整個(gè)范圍。X射線檢測(cè)合格后，將每對(duì)樣品相鄰裝架，分布在熱處理框架的角落和中間位置。熱處理工藝為固溶540 ℃保溫5 h，時(shí)效170 ℃保溫4 h。熱處理后，在零件的同一位置通過(guò)鋸切和車削制成拉伸試棒，進(jìn)行力學(xué)性能測(cè)試，然后將拉斷后的試棒鋸切一小塊鑲嵌后磨拋，觀察顯微組織的二次枝晶間距、變質(zhì)級(jí)別和晶粒度等各項(xiàng)指標(biāo)。

1.2 性能測(cè)試方法

試驗(yàn)采用DIN 50125直徑8 mm、標(biāo)距40 mm的試棒。屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度和延伸率按照GB/T 228.1—2010[3]進(jìn)行測(cè)試，硬度按照GB/T 232.1—2002[4]進(jìn)行測(cè)試，晶粒度按照GB/T 6394—2002[5]進(jìn)行測(cè)試，變質(zhì)級(jí)別按照美國(guó)鑄造協(xié)會(huì)AFS掛圖進(jìn)行評(píng)級(jí)，二次枝晶間距采取加權(quán)平均的方法進(jìn)行計(jì)算。

2 結(jié)果與分析

2.1 力學(xué)性能

零件的力學(xué)性能測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表1，將表1中的2組數(shù)據(jù)在箱線圖中進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果如圖1所示。由圖1a可知，二次熱處理的屈服強(qiáng)度與一次熱處理相比基本未發(fā)生改變，但二次熱處理的抗拉強(qiáng)度比一次熱處理的分布更加集中且有微小的提升。由圖1b可知，一次熱處理延伸率中位數(shù)為7.25，二次熱處理延伸率中位數(shù)為8.45，后者比前者有明顯提升；而二次熱處理的硬度與一次熱處理基本相同。

表1 力學(xué)性能測(cè)試結(jié)果

圖1 力學(xué)性能測(cè)試結(jié)果箱線圖

2.2 顯微組織

一次熱處理和二次熱處理的顯微組織檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)表2。由表2可知，一次熱處理和二次熱處理的二次枝晶間距、變質(zhì)級(jí)別、晶粒度基本沒(méi)有區(qū)別。

表2 顯微組織測(cè)試結(jié)果

一次熱處理和二次熱處理的二次枝晶間距分別如圖2a和圖2b所示，前者為26.9 μm，后者為27.2 μm，二者皆枝晶間距細(xì)密。一次熱處理和二次熱處理的硅變質(zhì)狀況分別如圖3a和圖3b所示，對(duì)照AFS圖譜，皆為5級(jí)。一次熱處理和二次熱處理的晶粒度分別如圖4a和圖4b所示，前者為434.8 μm，后者為416.7 μm，晶粒度尺寸皆細(xì)密均勻，基本無(wú)區(qū)別。一次熱處理和二次熱處理的共晶硅形態(tài)分別如圖5a和圖5b所示，共晶硅皆為細(xì)纖維狀，但后者的硅形態(tài)比之前者更為圓滑。金相軟件分析前者的圓整度為70%，后者為90%。

圖2 一次熱處理和二次熱處理的二次枝晶間距(100×)

圖3 一次熱處理和二次熱處理的硅變質(zhì)狀況(200×)

圖4 一次熱處理和二次熱處理的晶粒度(30×)

圖5 一次熱處理和二次熱處理的共晶硅形態(tài)(500×)

3 討論及建議

結(jié)合本次試驗(yàn)的結(jié)果來(lái)看，雖然強(qiáng)度和硬度沒(méi)有明顯的變化，但二次熱處理對(duì)于延伸率的改善是顯而易見(jiàn)的；而顯微組織的二次枝晶間距、變質(zhì)級(jí)別和晶粒度皆未發(fā)生變化，僅在硅形態(tài)上發(fā)現(xiàn)了不同之處。分析認(rèn)為，原因在于一次熱處理的保溫時(shí)間不長(zhǎng)，二次熱處理多了一次固溶和保溫過(guò)程，硅原子得到了充分的擴(kuò)散，使得共晶硅發(fā)生?；?；共晶相處作為后凝固的地方，是顯微組織中的薄弱之處，共晶硅的?；兄诟纳破渑c基體的連接，從而優(yōu)化延伸率；但重復(fù)熱處理的次數(shù)也不是越多越好，因?yàn)殡S著高溫加熱和保溫時(shí)間的延長(zhǎng)，共晶硅會(huì)逐漸長(zhǎng)大，最終導(dǎo)致強(qiáng)度和延伸率同時(shí)惡化。為防止硅長(zhǎng)大，以及控制工業(yè)生產(chǎn)的效率，一般不建議進(jìn)行三次熱處理。

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)上述研究，可以得出如下結(jié)論。

1)二次熱處理對(duì)強(qiáng)度和硬度基本沒(méi)有影響，但可以改善零件的延伸率。

2)二次熱處理基本不改變顯微組織的二次枝晶間距、變質(zhì)級(jí)別和晶粒度，但會(huì)使其中的硅相形態(tài)更為圓整。

[1] 劉洲. ZL101鋁合金的拉伸斷裂特征[J]. 機(jī)械工程材料, 2014(2):82-86.

[2] 談淑詠. Sr變質(zhì)及固溶時(shí)效對(duì)鋁硅合金組織和性能的影響[J]. 熱加工工藝, 2015(22):190-196.

[3] GB/T 228.1—2010，金屬材料 拉伸實(shí)驗(yàn) 第1部分：室溫試驗(yàn)方法[S].

[4] GB/T 232.1—2002，金屬布氏硬度試驗(yàn) 第1部分：試驗(yàn)方法[S].

[5] GB/T 6394—2002，金屬平均晶粒度測(cè)定方法[S].