ZL101鋁合金制汽車轉(zhuǎn)向節(jié)二次熱處理的性能研究

黃長虹，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)動機等。該材料的鑄造性能較好，在適當(dāng)?shù)臒崽幚項l件下，抗拉強度可達(dá)300 MPa，延伸率可達(dá)8%～10%，在汽車的輕量化趨勢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，鑄件檢測存在強度合格而延伸率不合格的情況，而在斷口上并無夾渣、縮孔和氣孔等明顯缺陷。針對上述問題，本文在使用相同的化學(xué)成分、精煉效果、鑄造機、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試，對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

1.1 試驗設(shè)計

試驗樣品選擇一澆包鋁液精煉合格后經(jīng)過鑄造機壓鑄成零件，且為同一模穴相鄰模次的2個零件。將樣品均勻分布到起始至結(jié)束模次的整個范圍。X射線檢測合格后，將每對樣品相鄰裝架，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，時效170 ℃保溫4 h。熱處理后，在零件的同一位置通過鋸切和車削制成拉伸試棒，進(jìn)行力學(xué)性能測試，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)級別和晶粒度等各項指標(biāo)。

1.2 性能測試方法

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

2 結(jié)果與分析

2.1 力學(xué)性能

零件的力學(xué)性能測試結(jié)果見表1，將表1中的2組數(shù)據(jù)在箱線圖中進(jìn)行對比，結(jié)果如圖1所示。由圖1a可知，二次熱處理的屈服強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)性能測試結(jié)果

圖1 力學(xué)性能測試結(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結(jié)果見表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)級別、晶粒度基本沒有區(qū)別。

表2 顯微組織測試結(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，對照AFS圖譜，皆為5級。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)合本次試驗的結(jié)果來看，雖然強度和硬度沒有明顯的變化，但二次熱處理對于延伸率的改善是顯而易見的；而顯微組織的二次枝晶間距、變質(zhì)級別和晶粒度皆未發(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間不長，二次熱處理多了一次固溶和保溫過程，硅原子得到了充分的擴散，使得共晶硅發(fā)生?；还簿嗵幾鳛楹竽痰牡胤?，是顯微組織中的薄弱之處，共晶硅的粒化有助于改善其與基體的連接，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，因為隨著高溫加熱和保溫時間的延長，共晶硅會逐漸長大，最終導(dǎo)致強度和延伸率同時惡化。為防止硅長大，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

通過上述研究，可以得出如下結(jié)論。

1)二次熱處理對強度和硬度基本沒有影響，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)級別和晶粒度，但會使其中的硅相形態(tài)更為圓整。

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

[2] 談淑詠. Sr變質(zhì)及固溶時效對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 拉伸實驗 第1部分：室溫試驗方法[S].

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

[5] GB/T 6394—2002，金屬平均晶粒度測定方法[S].