鑄造鋁合金半連續鑄棒組織與性能均勻性研究

陶健全，王修濤，陳喜棟，孫際鵬，王茂川，王艷彬，向林

鑄造鋁合金半連續鑄棒組織與性能均勻性研究

陶健全1，王修濤2，陳喜棟1，孫際鵬1，王茂川1，王艷彬1，向林1

（1.西南技術工程研究所，重慶 400039；2.山東省機械設計研究院，濟南 250000）

研究ZL114A合金和ZL205A合金半連續鑄棒不同部位的力學性能與微觀組織，分析鋁合金半連續鑄棒的均勻性。分別對半連續鑄棒的中心位置、/2位置、邊緣位置進行取樣，對比分析各部位的力學性能及微觀組織。ZL114A合金的抗拉強度為338～355 MPa，斷后伸長率為9%～11.5%；ZL205A合金的抗拉強度為465～485 MPa，斷后伸長率為12%～15%。與鑄棒中心位置相比，鑄棒邊緣位置的晶粒尺寸更小，性能也更優異，但ZL114A合金鑄棒的邊緣位置存在夾渣缺陷，導致其力學性能低于鑄棒中心位置的力學性能。采用半連續鑄造工藝制備的ZL114A合金和ZL205A合金均具有細小、均勻的微觀組織，且組織越細小的部位，力學性能越高，存在凝固缺陷的部位，力學性能較低。

ZL114A；ZL205A；半連續鑄造；微觀組織；力學性能

隨著武器裝備的高速發展，對結構件提出了輕質、高強的要求，構件結構設計逐漸向大型、復雜、薄壁等方向轉變。鑄造鋁合金因具有密度低、力學性能與鑄造成形能力良好等特點，被廣泛應用于航空、航天、汽車等領域[1-8]，鋁合金鑄造工藝能夠很好地成形復雜構件，與其他加工工藝相比，可以大幅提高構件的制造效率、降低綜合制造成本。常用的鑄造鋁合金包含Al–Si系和Al–Cu系，其中，ZL114A和ZL205A合金分別為Al–Si系和Al–Cu系鑄造鋁合金的典型代表合金。許多學者對Al–Si合金和Al–Cu合金的組織、性能、缺陷控制等方面開展了相關研究[9-13]。Yu等[9]研究了T6熱處理對Al–Si合金疲勞性能的影響。Hao等[10]研究了Al–Si合金在半連續鑄造與重力鑄造過程中的相析出行為及性能變化情況。Shaga等[11]研究了凝固速率對ZL205A基復材組織的影響。Luo等[12]研究了ZL205A在磁場輔助凝固條件下的組織、缺陷與性能變化情況。Wen等[13]采用單晶方法研究了Al–Cu合金晶體取向對腐蝕行為的影響。通過前期調研，對現有報道中ZL114A、ZL205A合金的性能進行統計分析，結果表明，ZL205A合金在T5熱處理狀態下，抗拉強度為398～461 MPa，斷后伸長率為4.1%～14%[14-15]；ZL114A合金在T5熱處理狀態下，抗拉強度為295～310 MPa，斷后伸長率為4%～5%[4,16]。根據統計結果可以發現，ZL205A合金性能較為分散，ZL114A合金性能較低，難以滿足武器裝備高速發展的需求。半連續鑄造的方法可以制備出晶粒細小、組織致密的鑄造鋁合金，提高鑄造鋁合金的力學性能。然而，學者們普遍關注的是如何提高半連續鑄造鋁合金的成形尺寸及夾渣缺陷控制等方面[17]，對半連續鑄造鋁合金鑄棒本身的組織、性能均勻性的研究卻鮮有報道。為此，文中開展了ZL114A、ZL205A等常用鑄造合金半連續鑄棒的組織、力學均勻性研究。

1 試驗

采用的半連續鑄造鋁合金包括ZL114A合金和ZL205A合金，合金狀態均為T5熱處理態，半連續鑄棒尺寸為180 mm，合金主要化學成分如表1所示，其余雜質元素均滿足GB/T 1173—2013要求。為研究半連續鑄棒的組織和力學均勻性，采用線切割機分別在180 mm半連續鑄棒的中心位置、/2位置、（半徑）位置進行取樣，并加工出拉伸試樣，如圖1所示。測試拉伸試樣的力學性能，并觀察其微觀組織。

拉伸性能試驗所用設備為CSS–44100型電子萬能試驗機，依據GB/T 228.1，選擇拉伸試驗速度為1 mm/min，每個部位的試樣測試3根，結果取平均值。分別使用240#、400#、800#、1000#、1600#、2000#砂紙對金相試樣進行打磨，并使用研磨膏對其進行研磨拋光，然后采用OLYMPUS–GX71金相顯微鏡進行金相組織觀察。

表1 合金成分

Tab.1 Chemical composition of alloy wt.%

圖1 試樣取樣位置及試樣實物

2 結果與分析

2.1 力學性能

ZL114A合金半連續鑄棒不同部位的力學性能如圖2所示。可以發現，ZL114A合金的抗拉強度為338～355 MPa，斷后伸長率為9%～11.5%，其中，鑄棒中心位置的抗拉強度高達353 MPa，斷后伸長率為11.5%，而鑄棒邊緣位置的抗拉強度只有338 MPa，斷后伸長率為9%。值得注意的是，鑄棒邊緣位置的強度和斷后伸長率均低于心部和/2位置的。一般來說，半連續鑄棒邊緣位置冷卻速度較快，會形成晶粒細小組織，力學性能較好，顯然，這與文中試驗結果不符。根據王松濤等[15]的研究可知，偏析、夾雜、縮孔等鑄造缺陷的存在會顯著降低合金力學性能。因此，推測鑄棒邊緣位置存在鑄造缺陷，后續微觀組織分析結果印證了這一推測。

圖2 ZL114A合金半連續鑄棒不同部位的力學性能

ZL205A合金半連續鑄棒不同位置的力學性能見圖3。可以發現，鑄棒不同位置的強度比較均勻，集中在465～485 MPa，斷后伸長率為12%～15%。進一步分析發現，與ZL114A半連續鑄棒不同，ZL205A鑄棒邊緣位置的抗拉強度和斷后伸長率均高于鑄棒中心位置的，說明ZL205A鑄棒內部質量較好，不存在鑄造缺陷，后續微觀組織分析結果與力學性能結果吻合。

2.2 微觀組織

ZL114A合金半連續鑄棒不同位置的微觀組織如圖4所示。可以發現，鑄棒不同部位的組織總體較為均勻，均由α–Al基體和分布在基體晶界位置的共晶硅相組成，晶粒尺寸較為細小，為20～50 μm，共晶硅相呈現球狀。有研究表明[18-21]，鑄造鋁合金中第二相的形貌與合金性能密切相關，若第二相呈現尖銳狀，則此時第二相位置易成為裂紋萌生位置，這會顯著降低合金的力學性能。因此，具有球狀共晶硅相的ZL114A合金半連續鑄棒具有較好的強度和塑性。使用Ipp軟件對不同部位的晶粒尺寸進行統計分析可以發現，鑄棒心部位置的α–Al基體晶粒尺寸為40～ 50 μm，而鑄棒邊緣位置的α–Al晶粒尺寸為20～ 35 μm。由細晶理論可以推測出鑄棒邊緣位置的力學性能較好，但這與實際測試結果相反。從圖4c可以發現，鑄棒邊緣位置的微觀組織中存在針狀的夾渣缺陷。在鑄造成形過程中，精煉效果差、澆注時間過長等情況均會導致鋁熔體質量較差，進而易形成夾渣缺陷，缺陷形成位置較為隨機，該缺陷會導致力學性能明顯降低。

圖3 ZL205A合金半連續鑄棒不同位置的力學性能

圖4 ZL114A合金半連續鑄棒不同位置的微觀組織

圖5為ZL205A合金半連續鑄棒不同位置的微觀組織。可以發現，不同部位的組織大體相似，均由α–Al基體、晶間θ（Al2Cu）相以及彌散T相（Al12CuMn2）組成。不同的是，鑄棒邊緣位置組織中的彌散T相較多，如圖5c所示，結合高倍組織分析結果可知，鑄棒邊緣位置的晶粒較為細小，為30～40 μm，而心部位置晶粒尺寸為50～70 μm。根據力學性能分析可知，雖然ZL205A鑄棒邊緣位置的抗拉強度與其他位置的強度差異較小，但是其斷后伸長率卻高達15%左右，這是因為晶粒越細小，晶界越多，在拉伸過程中，位錯不斷萌生，進而發生滑移，當位錯滑移至晶界時，晶界阻礙位錯運動，從而形成了位錯塞積，這有利于塑性的提高。另外，有研究表明[17]，在ZL205A合金中，Cu元素為強化元素，凝固時會與Al結合生成θ相，有利于提高合金的力學性能；Mn元素會與Cu、Al反應生成T相，彌散分布在基體中，起到彌散強化作用，有利于提高合金的強度與塑性。所以，在晶粒尺寸、第二相含量等因素的作用下，鑄棒邊緣位置的塑性高于心部位置及/2位置的。整體來說，ZL205A合金鑄棒的力學性能較好且不同部位間的性能差異較小。

圖5 ZL205A合金半連續鑄棒不同位置的微觀組織

3 結論

1）半連續鑄造工藝制備出的鑄造鋁合金具有較為優異的強韌性。在T5狀態下，ZL114A合金的抗拉強度高達338～355 MPa，斷后伸長率為9%～11.5%；ZL205A合金的抗拉強度為465～485 MPa，斷后伸長率為12%～15%。

2）鑄造鋁合金半連續鑄棒不同部位的組織細小、均勻。ZL114A合金心部位置晶粒尺寸為40～50 μm，而鑄棒邊緣位置的α–Al晶粒尺寸為20～35 μm；ZL205A合金鑄棒心部位置晶粒尺寸為50～70 μm，而邊緣位置的晶粒尺寸為30～40 μm，邊緣位置基體晶粒較為細小。

3）ZL114A合金半連續鑄棒中夾渣缺陷的存在會降低合金的抗拉強度和斷后伸長率。

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Mechanical and Microstructural Homogeneity of Semi-continuous Casting Aluminum Alloy Bars

TAO Jian-quan1, WANG Xiu-tao2, CHEN Xi-dong1, SUN Ji-peng1, WANG Mao-chuan1, WANG Yan-bin1, XIANG Lin1

(1. Southwest Technologyand Engineering Research Institute, Chongqing 400039, China; 2. Shandong Machinery Design and Research Institute, Jinan 250000, China)

The work aims to study the mechanical properties and microstructure of semi-continuous casting ZL114A and ZL205A bars at different sites and analyze the homogeneity of semi-continuous casting bars. The center,/2 site and edgeof semi-continuous casting bars were sampled respectively, and the mechanical properties and microstructure of each site were compared and analyzed. The tensile strength and elongation of ZL114A alloy were about 338-355 MPa and 9%-11.5% respectively, and those of ZL205A alloy were about 465-485 MPa and 12%-15% respectively. Compared with the center, grain size insite of bars was smaller and the corresponding properties were better. However, slags were founded insite of ZL114A bar, which caused the mechanical properties lower than that at the center. The ZL114A alloy and ZL205A alloy prepared by semi-continuous casting process have fine and uniform microstructure. The site with finer microstructure has higher mechanical properties, while the site with solidification defects has lower mechanical properties.

ZL114A; ZL205A; semi-continuous casting; microstructure; properties

10.3969/j.issn.1674-6457.2022.08.022

TG292

A

1674-6457(2022)08-0155-05

2021–11–20

國家自然科學基金面上項目（51971099）

陶健全（1983—），男，碩士，高級工程師，主要研究方向為輕合金精密鑄造成形。

責任編輯：蔣紅晨