分級固溶對ZL114A鋁合金組織與性能的影響

閆峰，趙強，肖遠倫，黃志偉，寧海青，鄧天泉，孫昌健，趙高瞻

(1.遼沈工業集團有限公司，沈陽 110045;2.西南技術工程研究所，重慶 400039;3.國防科技工業精密塑性成形技術研究應用中心，重慶 400039)

ZL114A鋁合金具有很高的強度和韌性，良好的流動性、氣密性和抗熱裂性，能鑄造復雜形狀的高強度鑄件，廣泛應用于航空、航天、汽車等領域[1－2]。為提高鑄造鋁合金的綜合性能，國內外學者在調控合金時效析出組織、優化合金成分、凈化處理、變質處理等方面做了大量的工作，但對其固溶工藝的研究涉及較少。鋁合金產品的質量與固溶溫度和保溫時間有密切關系，近年來研究表明[3－4]，采用分級逐步升溫固溶，最終固溶溫度超過多相共晶溫度時不會產生過燒組織，殘余可溶結晶相的固溶程度和合金力學性能均有所提高。

以ZL114A鋁合金為基礎，采用分級逐步升溫固溶的方法，在升溫到極限固溶溫度前，預先在低溫保溫一定時間，然后再升溫到高溫。固溶后對試樣進行淬火并時效，分析了ZL114A鋁合金固溶溫度和保溫時間對組織和性能的影響，確定了最佳的固溶工藝。

1 試驗方法

1.1 試樣制備

試驗材料為ZL114A鋁合金，化學成分見表1。采用40 kW電阻爐熔煉合金，裝爐前，爐料經過預先吹砂，除去油污、銹蝕和污垢后充分干燥，所有材料均預熱至200～300℃，保持1 h左右。熔煉時先預熱至400℃，溫度達到730℃時加ZS-AJ05C溶劑進行精煉除氣，檢測含氣量，達標后打渣，然后澆注成滿足GB/T 1173—1995的標準拉伸試樣。

表1 ZL114A鋁合金的化學成分Table1 The chemical composition of ZL114A alloy%

1.2 試驗方案

澆注的拉伸試樣分為3組，分別命名為1號、2號、3號合金試樣。分別采用a，b，c方案對3組試樣在RJJ-36-6井式空氣循環電阻爐中進行常規固溶和分級固溶熱處理。固溶處理結束后，試樣在40℃溫水中進行淬火，最后統一在SX2-2.5-10型箱式電阻爐中進行時效處理，合金試樣熱處理工藝參數見表2。

熱處理完后，采用CMT-5105微機控制萬能材料試驗機檢測試樣的抗拉強度和伸長率，用XJP-2C光學顯微鏡觀察試樣的顯微組織，采用X-650型掃描電鏡觀察試樣拉伸斷口形貌，利用D/MAX-RA型X射線衍射儀對合金試樣進行物相分析。

表2 試桿熱處理工藝參數Table2 The heat treatment parameters of ZL114A alloy samples

2 試驗結果及分析

2.1 固溶處理對合金性能的影響

對1號、2號、3號合金試樣采用a，b，c等3種方案進行固溶處理，然后統一進行時效處理后，對合金試樣進行室溫拉伸、力學性能檢測，結果如圖1所示。

圖1 不同固溶工藝下合金的力學性能Fig.1 Mechanical properties of ZL114A alloy in different solution treatments

從圖1可以發現，采用常規固溶處理的1號合金試樣抗拉強度σb僅為298 MPa，而一級分級固溶處理的2號合金試樣抗拉強度σb達到315 MPa，二級分級固溶處理的3號合金試樣抗拉強度σb達到335 MPa，分級固溶處理比常規固溶處理合金的抗拉強度值提高了6%～12%。對比3組合金試樣的伸長率發現，1號合金試樣的伸長率δ為3.5%，2號合金試樣為3.8%，3號合金試樣為4.0%，分級固溶處理比常規固溶處理合金的伸長率提高了8%～14%。分級固溶處理在300℃和450℃分別保溫1 h，有利于強化相Mg2Si等充分地熔解到α-Al基體中，共晶硅熔斷轉化為顆粒狀，采用分級固溶處理能有效地提高合金的力學性能。

2.2 固溶處理對合金組織的影晌

鑄態和采用a，b，c等3種方案進行固溶處理并時效后合金試樣的金相顯微組織如圖2所示。可以看出，ZL114A合金鑄態組織主要由α-Al、片狀的共晶Si、Mg2Si及雜質鐵相等組成。試驗樣品未進行變質處理，共晶Si呈粗大的片狀，分枝較少，試驗結果與文獻[5]基本一致。1號合金試樣采用常規固溶處理，由于Mg2Si升溫太快而未能較好地固溶進α-Al基體中，共晶Si由連續網狀斷開成球狀，絕大多數Si相已熔斷，但少量的粗大呈桿狀Si相仍然存在。由于2號合金試樣實行了在300℃保溫1 h的階梯升溫，共晶硅開始部分轉化為顆粒狀或短棒狀，以短棒狀為主，Mg2Si數量大量減少。由于3號合金試樣實行了在300℃和450℃分別保溫1 h兩級階梯升溫，共晶硅大部分轉化為顆粒狀，Mg2Si數量明顯減少，固溶效果良好，各相分布也相對均勻。

圖2 不同固溶處理合金試樣的金相組織Fig.2 The microstructure of ZL114A alloy in different solution treatments

熱處理后的1號、2號和3號合金試樣的拉伸斷口在透射電鏡下的顯微組織如圖3所示。比較圖3a，b，c可知，合金試樣的斷口均是由韌性斷裂與脆性斷裂組成的混合性斷裂，常規固溶處理后的1號合金試樣的拉伸斷口有許多較大的解理面，晶粒比較粗大，韌窩少，呈脆性斷裂[6]。采用一級分級固溶處理的2號合金試樣存在較多細小的韌窩，和少量較小的解理面，塑性較好。采用二級分級固溶處理的3號合金試樣則大、中、小韌窩并存，韌窩多且細小，該狀態的合金具有良好的塑性且晶粒細小，呈韌性斷裂[7－8]。

圖3 不同固溶處理合金試樣拉伸斷口形貌Fig.3 The SEM microgrphs showing the fractured surface of ZL114A alloy in different solution treatments

熱處理后的1號、2號和3號合金試樣的X射線衍射物相分析結果如圖4所示。發現ZL114A鋁合金中的組織主要是由α-Al、共晶Si及Mg2Si相組成。采用常規固溶處理的1號合金試樣晶界處的Mg2Si相含量較高，而采用分級固溶處理的2號和3號合金試樣中Mg2Si相的含量開始大量減少。這是因為分級固溶處理實行了在300℃和450℃分別保溫1 h的階梯升溫，使Mg2Si相能較好地在α-Al基體中固溶。

圖4 不同固溶處理合金試樣的X射線衍射圖Fig.4 The XRD patterns of ZL114A alloy in different solution treatments

3 結語

1)300℃×1 h+450℃×1 h+535℃×12 h分級固溶處理及175℃ ×6 h時效后的ZL114A鋁合金試樣的屈服強度σb=335 MPa，伸長率δ=4.0%。

2)相對常規固溶處理，ZL114A鋁合金試樣經分級固溶處理后，共晶硅大部分轉化為顆粒狀，Mg2Si數量明顯減少，具有良好的塑性且晶粒細小，固溶效果良好，各相分布也相對均勻。

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