康福偉　李如一　喬昕　張繼敏　樊德智

摘要：為了研究熱處理工藝對(duì)ZL114A鋁合金組織和力學(xué)性能的影響，利用金相顯微鏡、掃描電子顯微鏡、透射電子顯微鏡、拉伸實(shí)驗(yàn)機(jī)等設(shè)備對(duì)不同熱處理后的ZL114A鋁合金進(jìn)行組織觀察和力學(xué)性能測(cè)試。結(jié)果表明，隨著固溶溫度從505℃升高到550℃，合金組織中的共晶硅依次發(fā)生熔斷、球化和粗化等現(xiàn)象，而且硬度、抗拉強(qiáng)度和延伸率均出現(xiàn)先增加后降低現(xiàn)象，在535℃/12.h時(shí)達(dá)到最大值，分別為89?7.HB、280.MPa和6?6%;當(dāng)固溶溫度達(dá)到550℃時(shí)，晶粒粗大，出現(xiàn)過燒現(xiàn)象，硬度和抗拉強(qiáng)度急劇降低，因此，適合的固溶工藝為535℃/12.h。經(jīng)此固溶工藝處理的ZL114A鋁合金經(jīng)不同溫度6.h時(shí)效處理，結(jié)果表明，隨著時(shí)效溫度從140℃升高到170℃，合金的抗拉強(qiáng)度從286.MPa增加至345.MPa，而延伸率則從6?2%降低至4?0%，在155℃時(shí)，其抗拉強(qiáng)度和延伸率分別為315.MPa和5?2%，較鑄態(tài)時(shí)抗拉強(qiáng)度提高了81?0%，延伸率提高了108?0%。從企業(yè)對(duì)產(chǎn)品實(shí)際性能需求出發(fā)，最佳的熱處理工藝制度為535℃/12.h+155℃/6.h。

關(guān)鍵詞：

ZL114A合金;熱處理;組織;力學(xué)性能

DOI：10?15938/j?jhust?2019?01?019

中圖分類號(hào)： TG166?3

文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

文章編號(hào)： 1007-2683（2019）01-0113-05

Effects of Heat Treatment Processing on the Microstructure

and Mechanical Properties of ZL114A Aluminum Alloy

KANG Fu?wei?1，LI Ru?yi?1，QIAO Xin?2，ZHANG Ji?min?1，F(xiàn)AN De?zhi?1

（1?School of Materials Science and Engineering， Harbin University of Science and Technology，Harbin 150040，China;

2?Aero Engine （Group） Corporation of China Harbin DongAn Engine Co?LTD?， Harbin 150066， China）

Abstract：In order to study the effects of heat treatment on microstructure and properties of ZL114A aluminum alloy， microstructure observation and mechanical properties test of ZL114A aluminum alloy after different heat treatment were investigated by optical microscope， scanning electron microscope （SEM）， transmission electron microscope （TEM）， and tensile testing machine?The results show that， with the increasing of the solution temperature from 505℃ to 550℃， fuse， spheroidization and coarsening phenomenon occurred in eutectic silicon of ZL114A alloy， hardness， tensile strength and elongation were increased， reached the maximum value at 535℃/12.h， 89?7.HB， 280.MPa and 6?6%， respectively?At the solution temperature 550℃， because grain become coarse and arise overburnt feature， the hardness and tensile strength decreased dramatically?Therefore， suitable for the solution process is 535℃/12.h?The solution treated ZL114A alloy was aged at various temperature for 6.h， the results show that with the increase of aging temperature from 140℃ to 170℃， the tensile strength increased from 286.MPa to 345.MPa， while the elongation decreased from 6?2% to 4?0%?At 155℃， the tensile strength and elongation were 315.MPa and 5?2%， respectively?Comparing with as?casting ZL114A alloy， the tensile strength increased by 81%， and elongation increased by 108%?According to the actual demand of the enterprise， the optimum heat treatment process is 535℃/12.h +155℃/6.h

Keywords：ZL114A alloy; heat treatment; microstructure; mechanical properties

0引言

ZL114A是一種典型的高強(qiáng)高韌鑄造Al?Si合金，國(guó)外與之相似的合金牌號(hào)為A357（美國(guó)軍標(biāo)，Al?7Si?0?6Mg），主要用于制造航空航天飛行器復(fù)雜零部件以及汽車等承受高負(fù)荷的零部件[1-2]。我國(guó)航空航天企業(yè)生產(chǎn)的ZL114A合金構(gòu)件通常是按HB5480?91或HB962?2001的鑄造標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)計(jì)制造的，雖然合金熱處理后的性能指標(biāo)遠(yuǎn)高于GB/T1173?2013的規(guī)定，但與國(guó)外A357合金砂型鑄件性能相比仍存在一定差距[3-6]。因此，為了提高ZL114A合金的綜合力學(xué)性能，近年來研究人員在合金成分優(yōu)化、熔體精煉、微合金化、熱處理工藝等方面開展了一些研究工作[7-10]，提高了ZL114A合金的力學(xué)性能。但在實(shí)際生產(chǎn)中仍存在某些問題，如合金零件性能穩(wěn)定性差，合格率低。通過對(duì)某企業(yè)廢品零件的分析，發(fā)現(xiàn)熱處理工藝是造成該問題的主要原因。ZL114A鋁合金的熱處理工藝主要由固溶淬火與人工時(shí)效兩個(gè)工藝組成，這兩個(gè)工藝對(duì)合金第二相大小、形態(tài)、數(shù)量等有重要影響，從而導(dǎo)致合金性能的變化[11-14]。因此，本文主要研究固溶和時(shí)效工藝對(duì)ZL114A合金組織和力學(xué)性能的影響，以期望對(duì)航空復(fù)雜零件的生產(chǎn)提供理論指導(dǎo)。

1實(shí)驗(yàn)材料及方法

實(shí)驗(yàn)所用的ZL114A合金成分如表1所示。采用砂型鑄造法澆注實(shí)驗(yàn)用試棒，一箱兩件，圖1（a）為砂箱示意圖，試棒尺寸如圖1（b）所示。試棒經(jīng)不同固溶工藝處理后，通過組織分析和力學(xué)性能測(cè)試，優(yōu)化出最佳固溶工藝。經(jīng)該固溶工藝處理后，試棒經(jīng)不同時(shí)效工藝處理并進(jìn)行組織和性能分析，從而優(yōu)化出最佳時(shí)效工藝。熱處理實(shí)驗(yàn)方案如表2所示。用光學(xué)顯微鏡和FEI sirion200型掃描電子顯微鏡觀察合金組織，在Instron 5500R萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)上按照國(guó)標(biāo)GB228?2002進(jìn)行拉伸實(shí)驗(yàn)，拉伸速率為4.mm/min，每個(gè)實(shí)驗(yàn)條件下各拉伸三根試棒，力學(xué)性能取平均值。

2實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2?1固溶處理對(duì)ZL114A合金組織及力學(xué)性能的影響

固溶溫度和時(shí)間對(duì)ZL114A合金組織和性能影響較大。圖2是鑄態(tài)及不同固溶處理后的ZL114A合金金相組織照片。由圖2（a）可知鑄態(tài)組織主要由白色的?α?Al基體，分布在其周圍的深色塊狀共晶Si，細(xì)小白色的Mg?2?Si相及雜質(zhì)鐵相（AlFeMnSi）組成。隨著固溶溫度的升高，共晶Si尺寸變小，形態(tài)由塊狀變?yōu)闂l狀和球狀，而組織中的Mg?2?Si相逐漸溶解到基體?α?Al相中，溶入基體中的元素越多，固溶強(qiáng)化效果越好。但溫度達(dá)到550℃時(shí)，如圖2（e）所示，?α?Al晶粒粗大，出現(xiàn)了組織過燒特征。由此可知，固溶溫度應(yīng)在550℃以下。

圖3為固溶溫度535℃不同保溫時(shí)間的ZL114A合金金相組織。從圖中清晰可見棒狀共晶Si的熔斷、球化及粗化過程。保溫6h后3（a）圖，部分共晶 Si已經(jīng)開始發(fā)生熔斷， 從圖3（b）、3（c）和?3（d）?可以看出，隨著固溶時(shí)間的延長(zhǎng)，更多的棒狀共晶Si熔斷，并逐漸球化。當(dāng)固溶保溫時(shí)間為14h時(shí)，如圖3（e），組織中的共晶Si相開始出現(xiàn)聚集長(zhǎng)大，逐漸粗化。

圖4為不同固溶處理對(duì)ZL114A合金硬度及拉伸性能的影響。從圖4（a）可見，除550℃外， 隨著固溶溫度升高或保溫時(shí)間的延長(zhǎng)，合金硬度增加，在535℃/12.h時(shí)硬度達(dá)到最大值。這主要是由于固溶溫度越高，時(shí)間越長(zhǎng)，溶解到基體?α?Al中的Mg?2Si越充分，引起的晶格畸變就越嚴(yán)重，固溶強(qiáng)化效果就會(huì)越好。而溫度達(dá)到550℃時(shí)隨著保溫時(shí)間的延長(zhǎng)，硬度降低，由前述可知，這是由于過燒引起的。一般情況下金屬材料的硬度變化規(guī)律與其拉伸強(qiáng)度呈正比，除550℃外，其余3個(gè)固溶條件下的拉伸試棒力學(xué)性能與鑄態(tài)試棒拉伸性能對(duì)比如圖4（b） 所示。由圖可見，抗拉強(qiáng)度和延伸率都隨著固溶溫度升高和時(shí)間的延長(zhǎng)而增加，在535℃/12.h時(shí)，抗拉強(qiáng)度為280.MPa，延伸率為6?6%，比鑄態(tài)時(shí)的174.MPa和2?5%提高很多，綜上得出ZL114A合金最佳固溶處理工藝為535℃/12.h。

2?2時(shí)效處理對(duì)ZL114A合金組織及力學(xué)性能的影響

圖5是在535℃×12.h固溶處理后經(jīng)140℃、155℃、170℃，6.h時(shí)效處理的ZL114A合金組織照片。由圖可見隨著時(shí)效溫度的升高，析出相數(shù)量不斷增多，時(shí)效強(qiáng)化作用增強(qiáng)，合金的強(qiáng)度應(yīng)該逐漸升高。

眾所周知，Al?Si?Mg合金隨著時(shí)效溫度的升高，時(shí)效沉淀是通過以下步驟完成的，即過飽和?α?固溶體→G?P?區(qū)→?β?′相（Mg?2Si）→?β?相（Mg?2Si）。圖6是不同時(shí)效處理后的ZL114A合金透射電鏡顯微組織照片。在時(shí)效過程中，如圖6（a）所示，白色鋁基體上分布的黑色球狀相為G?P?Ⅰ區(qū)，針狀相為G?P?Ⅱ區(qū)（即?β?″相）。由于G?P?區(qū)與基體呈共格關(guān)系，產(chǎn)生共格畸變，使強(qiáng)度提高，由于畸變程度較低，其強(qiáng)化作用有限。隨著時(shí)效溫度升高，由圖?6（b）?和6（c）可以看出，針狀?β?″相開始向棒狀?β?′相（Mg?2?Si）轉(zhuǎn)變，?β?′相沿著鋁基體的[001]面析出，呈現(xiàn)出互相垂直的棒狀形態(tài)，且均勻分布于基體上，由于?β′相與基體保持共格關(guān)系，在其周圍形成強(qiáng)的畸變應(yīng)力場(chǎng)，從而使合金強(qiáng)度提高。若溫度再升高，β′相轉(zhuǎn)變?yōu)棣孪?，?相與基體為非共格關(guān)系，強(qiáng)化作用減小，合金強(qiáng)度降低，即過時(shí)效。所以在170℃/6.h時(shí)效處理下抗拉強(qiáng)度應(yīng)該最高。

圖7為不同時(shí)效溫度下的抗拉強(qiáng)度和延伸率測(cè)量值，與上述組織分析結(jié)果相一致?？梢?，隨著時(shí)效溫度的升高，抗拉強(qiáng)度隨之增加，但延伸率有所降低，在170℃時(shí)分別達(dá)到345.MPa和4?0%。從企業(yè)對(duì)ZL114A合金構(gòu)件綜合力學(xué)性能要求，時(shí)效溫度為155℃更合適，此時(shí)的抗拉強(qiáng)度和延伸率分別為315.MPa和5?2%。

3結(jié)論

1）隨著固溶溫度從505℃ 升高至550℃，ZL114A合金抗拉強(qiáng)度和延伸率均呈現(xiàn)先增加后降

低的變化規(guī)律，性能的降低是由于在550℃時(shí)出現(xiàn)過燒現(xiàn)象引起的，最佳固溶處理工藝為535℃/12.h，60℃水冷，此時(shí)的抗拉強(qiáng)度為280.MPa，延伸率為6?6%。

2）時(shí)效溫度從140℃升高至170℃，析出相共格強(qiáng)化作用逐漸增強(qiáng)，導(dǎo)致抗拉強(qiáng)度逐增加，而延伸率則逐漸降低;在155℃時(shí)，其抗拉強(qiáng)度和延伸率分別為315.MPa和5?2%;

3）根據(jù)企業(yè)對(duì)ZL114A綜合力學(xué)性能要求，最佳熱處理工藝為535℃/12.h （60℃水冷）+155℃/6.h （空冷）。

參 考 文 獻(xiàn)：

[1]BOUAZARA M， BOUAICHA A， RAGAB Kh A?Fatigue Characteristics and Quality Index of A357 Type Semi?Solid Aluminum Castings Used for Automotive Application[J]. Journal of Materials Engineering and Performance， 2015，24（8）：3084

[2]TIRYAKIOLU?M， ALEXOPOULOS?N?D?The Effect of Artificial Aging on Tensile Work Hardening Characteristics of a Cast Al?7 Pct Si?0?55 Pct Mg （A357） Alloy[J]. Metallurgical and Materials Transactions A， 2008，39（11）：2772

[3]解傳浩，陳振中?A357鑄造合金力學(xué)性能研究[J]. 飛機(jī)設(shè)計(jì)，2010，30 （3）：42

[4]王東成?ZL114A合金組織與力學(xué)性能的綜合優(yōu)化[D].南昌：南昌航空大學(xué)，2010

[5]ALEXOPOULOS， NIKOLAOS D， STYLIANOS Antonis， et al?DynamicFracture Toughness of Al?7Si?Mg （A357） Alloy[J]. Mechanics of Materials， 2013，58：55

[6]CESCHINI L， MORRI Alessandro， MORRI Andrea， et al?CorrelationBetween Ultimate Tensile Strength and Solidification Microstructure for the Sand Cast A357 Aluminium alloy[J]. Materials and Design， 2009，30（10）：4525

[7]MOSTAFAEI M， GHOBADI M， EISAABADI Ghasem B?Evaluation of theEffects of Rotary Degassing Process Variables on the Quality of A357 Aluminum Alloy Castings[J]. Metallurgical and Materials Transactions B， 2016， 47（6）：3469

[8]WU Ruizhi， QU ZhiKun， SUN Baode， et al?Effects of Spray Degassing Parameters on Hydrogen Content and Properties of Commercial Purity Aluminum[J]. Materials Science and Engineer A， 2007，456：386

[9]康福偉，劉洪匯，劉凱，等?精煉工藝對(duì)ZL114A合金組織即性能的影響[J]. 哈爾濱理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2015，20（6）： 9

[10]TAN Ten?hung， LEE Sheng?long， LIN Yu?lom?Effects of Be and Fe Additions on the Microstructure and Mechanical Properties of A357?0 Alloys[J]. Metallurgical and Materials Transactions A， 1995（26A）：1196

[11]JIANG Long?tao， WU Gao?hui， YANG Wen?shu， et al?Effect of Heat Treatment on Microstructure of Dimensional Stability of ZL114A Aluminum alloy[J]. Trans?Nonferrous Met?Soc?China， 2010（20）：2124

[12]PEDERSEN L， ARNBERG L?The Effect of Solution Heat Treatment and Quenching Rates on Mechanical Properties and Microstructures in AlSiMg Foundry Alloys[J]. Metallurgical and Materials Transactions A： Physical Metallurgy and Materials Science， 2001， 32（3）：525

[13]周永江，張喆，洪潤(rùn)州?熱等靜壓對(duì)ZL114A鑄件組織和性能的影響[J]. 特種鑄造及有色合金，2016，36（7）：687

[14]SABOORI A?Studying the Age Hardening Kinetics of A357 Aluminum Alloys Through the Johnson?Mehl?Avrami Theory[J]. Metal Powder Report， 2016，72（6）：420