熔體過熱溫度對ZL114金屬組織及力學性能的影響

摘 要：本文的研究背景及目標：金屬產品在很大程度上是由原始熔體的結構決定其本省的性能和組織，爐料的原始狀態對液態和固態合金的結構有極大的遺傳影響。本課題主要從亞共晶鋁合金遺傳性的角度出發，系統地研究熱速處理過程中，過熱溫度對ZL114合金組織、力學性能影響，以及對第二相形態、尺寸、分布的影響，建立并優化ZL114合金熱速處理工藝參數。

關鍵詞：過熱溫度 影響

中圖分類號：TG1 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2013）02（a）-0136-02

1 實驗材料

實驗材料采用的是工業用的鑄造Al-Si-Mg系列合金ZL114，運用ICP的化學成分進行分析測試，其具體成分如表1所示。

2 實驗方案

在相同的冷卻條件下，冷卻到690 ℃澆注。

（1）將合金加熱到700℃～710 ℃冷卻到690℃澆注1爐，共2根試棒。

（2）將合金加熱到730 ℃～740 ℃時，進行除氣，所用精煉劑為六氯乙烷，質量為合金的0.3%～0.4%，靜置10 min后繼續加熱，直至升溫至760±5 ℃，保溫10 min，將其倒入另一小坩堝進行快速冷卻，至690 ℃，攪拌后靜置澆注，冷卻時間為10 s。

（3）將合金加熱到850 ℃～860 ℃時，將其保溫10 min，然后將其倒入到另一個小坩堝內，進行快速冷卻，冷卻至690 ℃，同時冷卻的時間是20～25 s。

3 實驗步驟

3.1 熔煉及澆鑄

坩堝電阻爐的爐膛為Φ200×250 mm，其型號為SG-5-12，在坩堝電阻爐中加熱至950 ℃，

按照實驗方案進行加熱，渣滓雜質撈出，分別冷卻至690 ℃時在進行澆注。最后，待溫度冷卻到位時，將砂型敲碎取出澆注好的試棒鋸下，進行修剪，然后在用車床車成小棒狀進行拉伸的實驗備用。

3.2 拉伸實驗

在INSTRON5706型實驗機上測試延伸率、斷裂強度和屈服強度等每個實驗取三個試樣的平均值。

3.3 金相實驗

使用的化學腐蝕劑是由50%工業無水乙醇，10%硝酸，20%鹽酸和20%過飽和的苦味酸配制而成，由于K3合金具有良好的抗腐蝕性，故采用腐蝕時間15 min。腐蝕方式：擦蝕。當試樣表面剛剛變黑時，腐蝕結束，用清水沖洗，然后用蘸有酒精的棉球在試樣表面輕擦。在XJP-200和OlympusTG-3金相顯微鏡下觀察α相、共晶體α+Si的形貌和分布情況；采用Leica萬能定量金相顯微鏡及圖像處理與分析系統測量凝固組織的枝晶間距、相的厚度和相的體積（面積）百分數（如表2，3）。

4 實驗結果及分析

4.1 力學性能實驗結果及分析

表4中，由試樣經過700 ℃處理的拉伸強度為177 MPa，合金熔體經850 ℃熱速處理試棒的抗拉強度為181 MPa，可以看出：相對于700 ℃處理的試樣的屈服強度有所減小，但拉伸強度有所增加，拉伸韌性提高。經950 ℃熱速處理的試樣的拉伸性能，抗拉強度也只有184 MPa。但是合金熔體經740 ℃熱速處理試棒的拉伸性能，與原始材料相比，屈服強度明顯增加，盡管未經熱處理過程，但是其拉伸強度高達188 MPa。是一項非常大的突破。

第一個為原材料的700 ℃處理的試樣，延伸率只有2.4%。第二個為合金熔體經740℃熱速處理試棒，延伸率增加，拉伸韌性提高。第三個為合金熔體經850℃熱速處理試棒的拉伸性能，延伸率降低為3.6%。第四個為樣品經950℃熱速處理的拉伸性能，表現為相當高的韌性，延伸率為4.3%。

從表4中可以看出，ZL114合金的抗拉強度和相對延伸率均在熱速處理工藝后比原始材料增大，其韌性都大大的增大。尤其是經過740℃熱速處理的試樣，相對延伸率非常高，其抗拉強度也很好。

4.2 金相實驗結果及分析

圖1為ZL114合金熔體經不同溫度熱速處理后保溫10 min后迅速降溫至690 ℃澆鑄的顯微組織。比較圖1（a）（b），不難發現α枝晶臂隨著處理溫度的升高而由粗大變得細小，在700 ℃時α枝晶臂較長，且呈明顯的長短不一，分布也不均勻，而在740 ℃處理之后，α枝晶臂與前相比變短且均勻了；隨著溫度的增加，在850 ℃過熱處理后，如圖1（c），二次枝晶臂間距雖然增大，但α相面積變小，其外觀近球形，二次枝晶臂從一次枝晶干根部發生熔斷及粒化現象，共晶區域增大，一次枝晶間距也變細變小約為56μm；圖1（d）中所示950 ℃熱速處理的試樣較之圖1（c）二次枝晶間距有所減小，更加近似于圖1（b）的形貌。

結果分析：由于溫度處理比前一過程溫度提高了100 ℃，和金熔體進入了Al-Al原子團簇解體區域。由于尺寸較大的Al-Al原子團簇破裂，使得原子團簇的尺寸有所減小，數量增多，合金熔體在快速降溫的過程中，雖然溫度己降低到690 ℃，但結構狀態的改變滯后于溫度的變化，α-Al的形核與生長主要靠Al原子的擴散進行，由于冷速較快，Al原子只能進行短程擴散。所以凝固組織中α-Al的枝晶尺寸減小，同時，共晶組織的面積百分比升高。

5 結論

本文針對ZL114合金，通過實驗研究了凝固條件、熔體處理、過熱處理和熱速處理對合金凝固組織和性能的影響。主要結論如下。

（1）熔體溫度越高，越容易消除異質形核的核心，增加凝固時的過冷度，有利于組織的細化。

（2）通過熔體熱速處理工藝，ZL114合金的抗拉強度和相對延伸率均比原始材料以及細化和變質處理試樣增大，其韌性都大大增加。尤其是經過950 ℃熱速處理的試樣，相對延伸率達4.9%，其抗拉強度也已達到非常高的程度。因此，通過對熔體熱速處理，選取合適的處理溫度，可以顯著提高合金的力學性能。

參考文獻

[1]李濤，黃衛東，林鑫.半固態處理中球晶形成與演化的直接觀察[J].中國有色金屬學報，2000，10（5）：635-639.

[2]李培杰.鋁硅合金熔體的物性及結構遺傳[D].哈爾濱：哈爾濱工業大學博士學位論文，1995.

[3]ZHANG Kui，ZHANG Yong-zhong，LIU Guo-jun，et al.Structure evolution of non-dendritic AlSi7Mg alloy during reheating[J].Trans Nonferrous Met Soc China，1999，9（3）：553-556.

[4]王廣厚.團簇物理的新進展[J].物理學進展，1994，14（2）：121-171.

[5]蔡英文，范新會，李建國，等.原子簇在熔體晶體生長中的作用[J].西北工業大學學報，1996，14：323-324.

[6]王偉民，邊秀房，秦敬玉.Al-16%Si合金的過熱溫度與結晶行為[J].機械工程學報，1999，35（3）：16-19.

[7]何立子.Al-Mg-Si系合金組織性能[D].東北大學博士學位論文，2001.

[8]崔忠析.金屬學及熱處理[M].北京：機械工業出版社，1986.

[9]桂滿昌，賈均，李培杰，等.合金元素對鑄造Al-Si-Cu-Mg合金機械性能的影響[J].材料科學與工藝，1993，1（4）：73-79.

[10]李德成，李玉勝.ZL107A高強度鑄造鋁合金成分的優化[J].鑄造，1997（11）：48-50.