提高T5狀態(tài)ZL205A合金延伸率研究

周洪剛，李 鑫，宋海鋒，王 倩，朱 旭，馬俊華

(1.江麓機(jī)電集團(tuán)有限公司，湖南 湘潭 411100；2.山西協(xié)誠工程招標(biāo)代理有限公司，山西 太原 030009)

在能源危機(jī)初現(xiàn)及節(jié)能意識逐漸增強(qiáng)的背景下，制造業(yè)將結(jié)構(gòu)輕量化作為提高產(chǎn)品競爭力的重要手段之一，因此越來越多的高強(qiáng)度鋁合金被應(yīng)用于航空航天、汽車及兵器等領(lǐng)域。

ZL205A合金是一種鋁-銅系鑄造鋁合金，該合金經(jīng)固溶時效處理后具有很高的強(qiáng)度和良好的塑性，是目前工業(yè)生產(chǎn)中強(qiáng)度高、綜合性能好的鑄造鋁合金之一，可代替部分鑄鋼件和鍛鋁件[1]。ZL205A合金具有3種熱處理狀態(tài)，分別為T5(固溶處理+不完全人工時效)狀態(tài)、T6(固溶處理+完全人工時效)狀態(tài)和T7(固溶處理+穩(wěn)定化處理)狀態(tài)，其中T5狀態(tài)的綜合性能最好，應(yīng)用最廣泛。

某ZL205A合金產(chǎn)品試制時發(fā)現(xiàn)，該合金試樣經(jīng)T5處理后延伸率未達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求?；诖?，本文從熱處理的角度出發(fā)，進(jìn)行了試驗(yàn)研究，探索出了一種能夠提高ZL205A合金T5狀態(tài)延伸率的工藝。

1 化學(xué)成分和性能要求

ZL205A合金的化學(xué)成分要求見表1，力學(xué)性能試樣按GB/T 1173—2013《鑄造鋁合金》砂模試棒要求制作。經(jīng)高溫變質(zhì)處理，其形狀和尺寸如圖1所示。試樣經(jīng)T5處理后，力學(xué)性能應(yīng)達(dá)到GB/T 25745—2010《鑄造鋁合金熱處理》規(guī)定的要求，即：抗拉強(qiáng)度≥440 MPa，延伸率≥7%。

表1 ZL205A化學(xué)成分要求(質(zhì)量分?jǐn)?shù)) (%)

圖1 力學(xué)性能試樣

2 問題的提出

試制產(chǎn)品的熱處理工藝參照GB/T 25745—2010《鑄造鋁合金熱處理》設(shè)計，其工藝規(guī)范如圖2所示。由于之前未生產(chǎn)過ZL205A合金的產(chǎn)品，為驗(yàn)證熱處理工藝的可行性，在澆注產(chǎn)品時，特意澆注了24根同熔煉爐批力學(xué)性能試樣。產(chǎn)品澆注完后，先用力學(xué)性能試樣進(jìn)行T5處理試驗(yàn)。第1輪試驗(yàn)完成后，對同熔煉爐批的5根力學(xué)性能試樣進(jìn)行檢測，其結(jié)果見表2。從力學(xué)性能檢測結(jié)果可以看出，5根試樣的力學(xué)性能均未達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求，主要體現(xiàn)在延伸率偏低。

圖2 ZL205A 傳統(tǒng)T5熱處理工藝

序號抗拉強(qiáng)度/MPa延伸率/%備注14485.0不合格24774.0不合格34615.5不合格44484.5不合格54685.0不合格

3 原因分析

3.1 化學(xué)成分

對5根試樣進(jìn)行化學(xué)成分檢測，其結(jié)果見表3。從檢測結(jié)果可以看出，該批鑄件的銅含量均勻性較差，試樣1和試樣4的銅含量超出了標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的上限值。

表3 ZL205A試樣化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)) (%)

3.2 顯微組織

該批ZL205A合金的鑄態(tài)組織如圖3所示。從圖3可以看出，θ(Al2Cu)和Cd相的共晶組織分布在α(Al)固溶體的枝晶間，無過熱過燒現(xiàn)象，鑄態(tài)組織正常。T5工藝熱處理后的顯微組織如圖4所示。從圖4可以看出，T(Al12CuMn2)相彌散分布在α(Al)固溶體上，晶界聚集有較多未溶的CuAl2相和其他析出相[2]。

圖3 ZL205A合金的鑄態(tài)組織

圖4 ZL205A合金的T5處理組織

3.3 綜合分析

從化學(xué)成分和顯微組織的結(jié)果可以看出，該批ZL205A合金的銅含量較高且均勻性較差，采用傳統(tǒng)的T5熱處理工藝，晶界殘留有較多未溶或析出的共晶組織，這些晶界殘留物將影響晶間的結(jié)合力，導(dǎo)致材料的力學(xué)性能降低。

從鑄態(tài)顯微組織來看，該批鑄件無過熱過燒且鑄造缺陷較少(疏松、夾雜和氣孔等)，鑄態(tài)組織正常。若能通過優(yōu)化熱處理參數(shù)，改變T5狀態(tài)強(qiáng)化相的析出，減少晶界殘留物的數(shù)量，則可提高該批ZL205A合金的性能。

4 工藝試驗(yàn)

4.1 方案制定

傳統(tǒng)T5熱處理工藝所用的時效規(guī)范為單級時效。單級時效的優(yōu)點(diǎn)是生產(chǎn)工藝比較簡單，也能獲得很高的強(qiáng)度；但由于缺少充分的成核處理，過渡相易在缺陷和晶界處擇優(yōu)形成，時效后的合金顯微組織均勻性較差，難以得到良好的綜合性能。

分級時效是將已固溶處理的鑄件在不同溫度經(jīng)2次或多次時效處理，按其作用可分為預(yù)時效(又稱成核處理)和最終時效等2個階段。預(yù)時效處理溫度一般較低，目的是在合金中形成高密度的G.P.區(qū)。G.P.區(qū)通常是均勻生核，當(dāng)其達(dá)到一定尺寸，就可成為隨后時效沉淀相的核心[3]，從而大幅提高組織的均勻性，改善鑄件T5狀態(tài)的性能。

結(jié)合本批次鑄件的化學(xué)成分、顯微組織及力學(xué)性能情況，要想大幅提升其延伸率，必須應(yīng)用分級時效工藝。

4.2 試驗(yàn)與分析

4.2.1 首輪試驗(yàn)

根據(jù)分級時效理論，結(jié)合工廠ZL101、ZL104合金在分級時效工藝方面的應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，對ZL205A合金進(jìn)行了分級時效試驗(yàn)，試驗(yàn)方案如圖5所示，共處理6根力學(xué)性能試樣。

圖5 ZL205A合金T5分級時效工藝

試驗(yàn)完成后，對6根力學(xué)性能試樣進(jìn)行檢測，其結(jié)果見表4。從檢測結(jié)果可以看出，6根試樣的延伸率均有大幅提高且達(dá)到了標(biāo)準(zhǔn)要求，其中3根試樣的力學(xué)性能完全合格，3根試樣由于抗拉強(qiáng)度偏低不合格。

表4 力學(xué)性能檢測結(jié)果

4.2.2 次輪試驗(yàn)

從首輪試驗(yàn)的力學(xué)性能結(jié)果來看，采用圖5所示工藝，試樣的延伸率均達(dá)到了標(biāo)準(zhǔn)要求，但有半數(shù)試樣的抗拉強(qiáng)度稍低于標(biāo)準(zhǔn)要求。針對這種情況，應(yīng)再次調(diào)整工藝參數(shù)，以提高其抗拉強(qiáng)度。從Al-Cu、Al-Cu-Mn和Al-Cu-Ti相圖可知，ZL205A合金的共晶轉(zhuǎn)變溫度(過燒溫度)為548 ℃，在548 ℃以下，保溫時間恒定，加熱溫度越高，銅的溶解越充分，固溶處理后的強(qiáng)化效果越好，在時效制度相同的情況下，T5處理后的綜合力學(xué)性能越好。實(shí)際生產(chǎn)時，考慮材料的成分均勻性和爐溫均勻性等因素，加熱溫度一般稍低于共晶轉(zhuǎn)變溫度。因此，在次輪試驗(yàn)時，在圖5工藝的基礎(chǔ)上，將固溶處理溫度提高至543 ℃，具體方案如圖6所示，共處理6根力學(xué)性能試樣。

圖6 改進(jìn)后的ZL205A合金T5分級時效工藝

試驗(yàn)完成后，對6根力學(xué)性能試樣進(jìn)行檢測，其結(jié)果見表5。從檢測結(jié)果可以看出，6根試樣的力學(xué)性能均達(dá)到了標(biāo)準(zhǔn)要求。

表5 力學(xué)性能檢測結(jié)果

對圖6工藝處理的試樣進(jìn)行顯微組織檢測，其組織如圖7所示，從顯微組織可以看出，T(Al12CuMn2)相彌散分布在α(Al)固溶體上，晶界殘留有少量的CuAl2相和其他析出相，其數(shù)量和質(zhì)量較圖4組織明顯減少(小)。由于晶界殘留物的減少，晶粒與晶粒之間的結(jié)合更為緊密，試樣的綜合力學(xué)性能得到提高。

圖7 優(yōu)化工藝后的T5 處理組織

5 其他情況

力學(xué)性能試樣采用T5處理合格后，將產(chǎn)品和剩余試樣一同進(jìn)行熱處理，熱處理完成后將其中1件產(chǎn)品進(jìn)行解剖取樣，其力學(xué)性能達(dá)到了GB/T 25745—2010《鑄造鋁合金熱處理》解剖試樣的要求。

在后續(xù)的生產(chǎn)過程中，將固溶狀態(tài)相同的同批力學(xué)性能試樣，采用不同的時效工藝來驗(yàn)證上述試驗(yàn)的結(jié)論。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在抗拉強(qiáng)度正常的前提下，采用單級時效處理的試樣若延伸率較好，分級時效處理的試樣延伸率也與之相當(dāng)；采用單級時效處理的試樣若延伸率較差，分級時效處理的試樣延伸率常有較大提高。筆者推測，出現(xiàn)這種情況可能和鑄件的原始狀態(tài)有關(guān)。若鑄件的化學(xué)成分和組織均勻性較好，則單級時效和分級時效處理后的顯微組織基本一致；若鑄件的化學(xué)成分和組織均勻性較差，則分級時效較單級時效處理后的顯微組織更好。

6 結(jié)語

通過上述研究可以得出如下結(jié)論。

1)ZL205A合金采用543 ℃×10 h固溶+(100 ℃×3 h+150 ℃×7 h)時效較538 ℃×10 h固溶+155 ℃×8 h時效處理的顯微組織更好。

2)在ZL205A合金鑄態(tài)組織正常且化學(xué)成分均勻性較差的情況下，采用分級時效工藝，能夠提高其T5狀態(tài)的延伸率。

[1] 閻士標(biāo),肖年,劉建功. ZL205A箱體熱處理工藝探索[J].金屬加工/熱處理, 2010(11)：40-44.

[2] 龔磊清，金長庚,劉發(fā)信,等.鑄造鋁合金金相圖譜[M]. 長沙：中南工業(yè)大學(xué)出版社,1987.

[3] 張寶昌.有色金屬及其熱處理[M]. 西安：西北工業(yè)大學(xué)出版社,1992.