重熔处理对ZL205A合金组织和性能的影响.docx
《重熔处理对ZL205A合金组织和性能的影响.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《重熔处理对ZL205A合金组织和性能的影响.docx（41页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。
重熔处理对ZL205A合金组织和性能的影响
年月
张三
摘要
本文以ZL205A合金为研究对象，研究了在不同的过热度和保温时间下，重熔处理对ZL205A合金凝固组织和性能的影响。
通过观察合金微观组织和对合金做力学性能测试，对实验结果进行分析。
ZL205A合金的重熔处理会导致组织成分的不均匀，主要是晶间的共晶组织造成的。
随着保温时间延长和过热度的增加，共晶组织的聚集也越严重。
熔体中的一些质点，如Al3Ti，Al3V，在重熔过程也会聚集长大，形成条状偏析并沉淀在铝液底部，造成成分偏析，减弱这些质点的晶粒细化作用，导致晶粒的粗大。
重熔处理对于缩松的分布也有一定的影响。
过热度高和保温时间长的试样经过T6热处理后，组织硬度在不同位置依然有差别。
过热度低保温时间短短试样，热处理后组织硬度趋于相同。
关键词：
ZL205A合金；过热度；保温时间；显微组织；性能
Abstract
Inthispaper,ZL205Aalloywhichistheresearchobjectisusedtostudyunderdifferenttemperatureandholdingtime,tofindouttheeffectsofremeltingtreatmentonthemicrostructureandmechanicalpropertiesofthealloysolidificationstructure.Byobservingmicrostructureofthealloyandtestingthemechanicalpropertiesofthealloy,theexperimentalresultswereanalyzed.
RemeltingZL205Aalloyresultinmicrostructurecompositionuneven,itmainlycausebytheintergranulareutectic.Withtheextensionofholdingtimeandtheincreaseoftemperature,thegatherofeutecticbecomemoreserious.Someparticlesinthemelt,suchasAl3Ti,Al3V,willgatherandgrow,andbecomethestripsegregationthatwilldepositatbottomofthemoltenaluminum.Theseresultinginsegregation,weakeningthegrainrefiningeffectoftheseparticles,sothegrainbecomecoarse.Remeltingalsohavesomeimpactonthedistributionofshrinkageporosity.
ThehightemperatureandlongholdingtimesamplethatafterT6heattreatedstillhavedifferenceindifferentlocationofthemicrostructurehardness.Contrarily,thehardnessoflowsuperheatandshortholdingtimesampletendtobethesame.
Keyword:
ZL205Aalloy;superheat;holdingtime;microstructure;performance
第1章绪论
1.1课题背景及研究目的和意义
铝是地球储量最丰富的金属元素，同时铝有密度小、延展性好、导热导电性好，耐腐蚀等优点，所以铝合金被广泛应用到各种工业产品当中，例如工业电缆，电器制造、饮料易拉罐、糖果包装用铝箔、建筑结构材料、机械制造业等。
因为纯铝比较软，所以一般制成铝合金。
加入合金元素后，铝的力学性能得到极大的提高，根据其用途分为硬铝、超硬铝、铸造铝合金、变形铝合金等多种铝合金。
因为铝用途的广泛，制造成本低，目前世界上铝的产量和用量仅仅次于钢铁，已经成为第二大金属材料。
在最早莱特兄弟制造飞机时，飞机的发动机曲柄箱体就用到了Al-Cu-Mn合金。
自从A.Wilm在1960年在研究中发现Al-Cu-Mg系合金有硬化现象，会使铝合金的力学性能有了很大的提高[1]。
铝合金成为了航空事业的重要结构材料。
受到航空事业的发展的推动作用，铝合金也不断的发展。
航空事业对重量要求十分严格，所以比重小的铝合金成为了非常好的选择，当前飞机对铝合金的要求主要有，耐腐蚀性、高强度、高韧性等优秀的综合性能。
外国的航空用铝合金主要有2×××系和7×××系铝合金[2]。
例如在20世纪80年代初，高纯铝合金7050和2124就被用于美国的F-22战斗机的集体框架，腹板，加强筋等结构。
我国的航空事业起步比较晚，铝合金的发展也跟国外有一定的差距。
我国研发的航空用铝合金主要有7A04、2A70、7A55等。
我国的第二代战斗机的机体结构材料中，有很大部分都是使用铝合金材料。
在民航飞机中，铝合金的应用也逐渐增多，例如空客A380和波音777，在蒙皮、机翼等地方都应用了铝合金材料。
飞机的制造朝着减重，高速的方向发展，这要求了今后航空用铝合金主要还是围绕轻量化，高强度韧度，耐热性、提高寿命等方面进行。
铝合金在汽车制造业有着重要的地位，随着能源问题的加剧，汽车的节能减排问题变得越来越重要，使用铝合金代替传统的钢铁材料是实现汽车的轻量化的主要途径之一。
汽车上使用的铝合金主要是变形铝合金和铸造铝合金，铸造铝合金的使用比较多，而铸造的部件中大部分都是压铸件。
根据美国铝学会报告，理论上铝制汽车比钢铁汽车可以减少40%的重量。
铝合金主要用于制造汽车的车身，轮毂，发动机等部件，使用的铝合金主要有日本的5000系、6000系、AC8A、美国的SAE321、德国的KS1275等。
我国是汽车生产大国，市场广阔，随着铝合金的研究的发展，必将提高我国的汽车制造业的生产工艺水平，给我国带来巨大的经济效益[3]。
在实际铸造生产中，铝铜合金铸件浇注系统和浇冒占金属量高，以此来消除铸件中的缩孔缩松等缺陷，所以如何见废料进行循环利用的同时保证甚至提高产品的质量成了人们非常关心的问题。
本文针对ZL205A合金在铸造过程出现的缩松、偏析，组织粗化等铸造缺陷。
研究其在不同条件下重熔处理后，组织和性能的变化。
希望为ZL205A合金铸造工艺的改善提高参考，促进其在生产生活领域的应用。
1.2Al-Cu系合金国内外的研究现状
铝合金主要有铸造性能好的Al-Si系铸造合金，比强度高、抗腐蚀的Al-Mg铸造合金，强度高、易腐蚀的Al-Zn系铸造合金，还有高温性能好的Al-Cu系合金。
Al-Cu系合金是一种高强度高韧性的铝合金。
因为变形铝合金的生产过程成本高、周期长，对模具和设备的要求高；而铸造铝合金可以得到各向同性的组织和特殊组织，可生成形状复杂而强度要求高的部件，生产成本低，适应于各种批量生产，生产灵活性比较高，能制造形状复杂的零件。
高强度的铸造铝铜合金是代替变形铝合金的理想材料[4]。
此外铸造铝铜合金还有优异的机械加工性能。
因为铝铜铸造合金的高温性能优越，在航空航天事业和汽车制造也中，一直都受到比较高的重视。
但Al-Cu合金结晶温度范围宽，铸造性能不好，容易出现枝晶、缩松等缺陷，使铸件性能恶化，所以Al-Cu合金实际生产应用范围受到限制[5]。
国外高强高韧铝合金的研究现状
高强高韧铝合金的发展是以Mg和Zn在铝合金中共同热处理有强化效果这个研究结果为基础的。
这是德国科学家W.sander和在铝合金研究中得到的[6]。
最新开发的是Al-Zn-Mg系合金，之后经过研究发展，向合金中加入Cu、Mn、Cr等元素，再采用高纯度合金，精炼，严格控制杂质，例如Fe、Si等的含量，提高了铝合金的强度和韧度，并广泛用于航空工业[7]。
在这发展过程中，铝合金A-U5GT是20世纪初，由法国人研制的高强高韧铝合金，在铸造铝合金里面占有重要的地位，是当前具有代表性高强高韧铝合金中，历史最久、应用得最为广泛的合金，并且已经列入法国的国家标准[8]。
A-U5GT的成分是Cu4.2-5.0%、Mg0.15-0.35%、Ti0.05-0.30%、Fe≤0.35%、Si≤0.20%，我国的铝合金体系中，没有与之对应的铝合金。
在A-U5GT的基础上进行改良，美国研制出了201.0和206.0铸造铝合金。
含银0.4～1.0%的201.0成本较高，一般只用于军事领域。
俄罗斯的BAЛ9，德国的GAlCuCTi都典型的Al-Cu合金。
国内Al-Cu合金的研究现状
我国高强高韧铝合金发展虽然比较晚，但也取得了非常骄人的成就。
在20世纪60年代到70年代，我国北京航空材料研究院成功研制出了ZL205A合金[9]。
向ZL203加入Mn和Ti后得到了ZL201。
ZL201经过提纯，去除Fe和Si等杂质后得到了ZL201A。
ZL204A则是通过向ZL201A加入Cd后得到的。
ZL204A加入Zr、V、B后，就能得到ZL205A，可以看出ZL205A合金的成分是比较复杂的，含有7种合金元素，而且要严格控制杂质的含量。
ZL205A具体的化学成分如表1-1所示[10]。
表1-2[11]为ZL205A合金和国外同类型的合金性能的比较，从表中可以看出ZL205A有挺好的延伸率和抗拉强度，强度是目前世界最高的合金之一。
表1-1ZL205A合金成分[10]
合金牌号
合金代号
主要元素
Cu
Mn
Ti
其他
Al
ZAlCu5MnCdVA
ZL205A
4.6~5.3
0.3~0.5
0.15～0.35
Cd0.15～0.25
V0.05～0.3
Zr0.05～0.2
B0.005～0.06
余量
杂质含量（≤）
Fe
Si
Mg
Zn
Ni
其他
杂质重量
S
J
S
J
0.15
0.15
0.06
0.05
0.1
0.05
0.05
0.2
0.2
表1-2ZL205A与国外同类合金性能比较[11]
合金牌号
国别
铸造方法
热处理状态
σb
σ0.2
δ（%）
ZL205A
中国
S
T5
≥440
345
7.0
BAп14
俄罗斯
≥400
—
7.0
ZL205A
中国
T6
≥490
430
3.0
KO-1
美国
≥420
350
5.0
BAп14
俄罗斯
≥430
—
4.0
ZL205A
中国
T7
≥470
455
2.0
KO-1
美国
≥420
350
3.0
1.3ZL205A合金研究现状
ZL205A合金是典型的高强铸造铝合金，实际使用中有3种热处理状态T5、T6和T7。
在T6状态下是目前世界上使用的铝合金中强度最高的，可达510N/mm2，在T5状态下综合性能最好，而T7状态则有非常好的抗腐蚀能力。
ZL205A合金的高强度，使得其在制造生产中实现以铸代锻，以铝代钢和整体铸造的目的，克服传统黑色金属制品质量大，变形铝合金设备繁多，工艺复杂的问题，特别是大型的受力部件，传统只能用锻压来得到，如果能通过铸造得到，将大大地简化生产工艺，提高生产效率。
这使得ZL205A合金在生产制造中有非常好的应用前景，在砂型铸造中应用较多，也有应用于金属型铸造和熔模铸造。
但是ZL205A合金铜含量在4%-5%左右，属于宽结晶温度合金，铸造性能不好，壁厚敏感性大，有比较多的铸造缺陷，主要有疏松、偏析、热裂、夹杂等[12]。
这些问题导致了ZL205A的应用受到了一定程度的限制。
因此对于ZL205A合金的研究，有助于了解和克服合金在实际生产中的问题。
ZL205A合金的组织
ZL205A铸态下的组织是α固溶体，θ相（CuAl2），T相（Al12CuMn2），Al7V，Al3Ti，Cd等。
在金相显微镜下观察，基体为α固溶体，在晶界和枝晶之间有α+θ共晶，呈网状。
T相也在共晶组织中，灰色。
Al3Ti分别在基体上，呈条状。
图1-2为ZL205A合金铸态和T6热处理状态下的金相组织。
（a）中灰黑色的是共晶组织。
（b）中基体中黑色质点是二次的T相，团块状的是TiB2。
图1-2ZL205A合金显微组织
（a）铸态组织、（b）T6热处理组织
1.3.2ZL205A各元素的作用
Cu是ZL205A合金主要的合金成分。
图1-1是Al-Cu合金二元平衡相图，在图中可以看出Cu在α-Al中最大溶解度为5.6%，在Cu含量33%时析出共晶组织（Al+CuAl2）。
ZL205A随着含Cu的增加强度不断提高，但延伸率下降，在Cu含量在4.6%-5.3%附近强化效果最好，但结晶温度范围宽，铸造性能不好，容易产生疏松等缺陷[13]。
如果Cu含量再增加，合金流动性、热裂倾向有所改善[14]。
因为Cu在α-Al随温度降低溶解度不断降低，所以ZL205A可以进行固溶处理。
固溶处理时Cu融入α-Al基体中，导致α-Al基体发生点阵畸变，使得晶粒间的滑移面封闭，显著提高合金的强度[15]。
Mn元素在ZL205A合金当中和Al形成T相（Al12CuMn2），也可以以单质形式融入α-固溶体中。
Mn的作用主要是提高合金的耐热性和抗腐蚀性。
但如果T相粗大，会降低Cu的作用[16]。
当Mn含量大于1%，在组织中会析出初生的T相，导致合金的强度下降，脆性增加。
当Mn含量过低时，基本没有T相，M都溶到α固溶体中。
Ti和Zr的作用主要是细化组织，提高力学性能，同时还能减低热裂倾向；Zr能降低形成针孔的倾向。
Ti对基体有固溶强化对作用，容易造成Al-Cu合金枝晶偏析，所以对合金的延伸率的影响比较小[17]。
Ti能与Al形成Al3Ti，作为形核质点，细化晶粒，但Ti含量过多时，Al3Ti会聚集长大，作为粗大的条状相析出，反而起不到细化效果，导致晶粒粗大。
V的作用是降低铁元素杂质，提高耐热能力和致密性，降低形成针孔的倾向。
V含量在0.13%时，能很好地降低合金热裂倾向。
随着V含量的增加，其降低热裂倾向效果减弱[18]。
图1-1Al-Cu二元合金平衡相图
Cd和B用于细化合金组织，提高合金的属性和延伸率。
随着Cd的加入，合金强度变化趋势是先增加后减少，含量在0.2%左右效果最好。
Cd能促进G.P.Ⅰ区、G.P.Ⅱ区的形成，从而提高热处理强化对效果[19]。
ZL205A的杂质主要是Fe和Si，主要源于原铝中的杂质。
Fe和Si在合金中分别与其他元素化合，生产Al7Cu2Fe和Al10SiMn2。
这些脆性相集中在晶界处，严重影响合金的塑性和韧性。
1.3.3ZL205A合金的热处理
ZL205A有出色的室温和高温力学性能，在使用中主要有3种热处理状态：
T5、T6、T7。
在T5状态是固溶处理后不完全人工时效，处理后有一定的强度，而且有较好的塑性，但抗腐蚀能力减弱，容易出现晶间腐蚀。
T6状态是固溶处理后完全人工时效，处理后能达到最高点强度，塑性有所下降。
T7状态是固溶处理后稳定化回火，处理后使铸件尺寸稳定，抗腐蚀能力好，有较好的综合力学性能。
根据GB/T1173—1995，ZL205A的力学性能见表1-3[20]。
表1-3ZL205A合金国家标准力学性能[20]
合金代号
热处理状态
抗拉强度σb/MPa
延伸率δs（%）
硬度HBS
≥
ZL205A
T5
440
7
140
T6
470
3
150
T7
460
2
140
Al-Cu合金热处理过程中，Cu融入基体中，形成过饱和的固溶体，导致点阵畸变。
时效时，Cu因为过饱和而析出，依次形成G.P.Ⅰ区、G.P.Ⅱ区（θ”相）、θ’相，他们都与原来的晶体有一定的共格关系，起到强化合金的作用。
若时效时间过长，最终会形成θ相、即Al2Cu，合金强度也随之下降。
ZL205A的应用
在研究之初，ZL205A合金主要用于航空领域，制作一些小的框、支架、横梁之类的受力构件。
后来ZL205A合金进一步发展，已经能应用到战斗机，运输机。
现在，ZL205A合金铸件因为质量好，已经在航空航天，造船业，雷达，武器等多种军工产品中广泛应用。
ZL205A合金用于飞机挂架的制造。
飞机挂架是飞机的重要部件之一，结构复杂，尺寸大而且要承受大大静载荷和冲击载荷，这要求材料要有非常好的力学性能，铸件要有很高的质量和尺寸精度，没有缩松气孔，氧化夹渣等铸造缺陷[21]。
ZL205A合金的研制成功为我国航空航天构件的选材提供了新的选择。
用ZL205A合金代替LD4，LD5等锻件，实现了以铸代锻，大大降低生产成本和提缩短生产周期。
经过多年的研究和使用，ZL205A合金的工艺已经比较成熟，产品的合格率高，而且通过北京航空材料研究院的努力，使得大型薄壁复杂铸件的研制难题得到了解决，使得我国在该这领域处于领先的地位[22]。
在ZL205A的铸造生产中，有多种改善其铸态组织的工艺方法。
热壳精密制造工艺，通过控制壳型的预热温度，达到改善组织的目的。
低压铸造比重力铸造的组织性能要好，因为低压铸造具有缓慢充型和顺序凝固的优点，能减少铸件内部的气孔和疏松缺陷，提高抗拉强度和延伸率。
而差压铸造比低压铸造好，差压铸造有低压铸造和增压铸造的优点，金属液在压力下凝固结晶，组织更加致密，进一步提高铸件性能。
压铸工艺也能起到优化组织的作用。
另外，旋转喷吹精炼、立筒缝隙式浇注系统工艺技术，也能解决ZL205A铝合金大型薄壁复杂铸件内部疏松、夹渣、裂纹、偏析等问题。
有研究表明[23]，添加一定量的重熔料，能起到细化ZL205A合金的组织。
稀土金属对于ZL205A合金的显微组织也有细化作用。
通过铝熔体净化工艺，能去除液体金属中的氢和氧化夹杂物，得到纯净的熔体，工艺方法有：
吹气法、熔剂法、真空法、电磁净化法和电渣净化法。
其中电渣净化法效果最好，利用冰晶石（Na3AlF6），吸附氧化铝碎片，达到净化的目的，以细化组织。
1.4本文主要研究内容
课题针对ZL205A合金铸件在凝固过程中容易发生组织粗化、偏析、疏松等缺陷的问题，通过在不同条件下对合金进行重熔处理，研究重熔条件对合金凝固组织和性能的影响，为改善合金的铸造性能提供理论指导和技术支持，为推广合金的应用奠定基础。
主要内容包括：
（1）在不同温度下对ZL205A合金进行重熔，研究熔体过热度对ZL205A的凝固收缩率的影响。
（2）控制ZL205A合金的重熔温度与保温时间，研究熔体过热度和保温时间对ZL205A合金的铸态组织和性能的影响。
（3）将重熔后的合金进行热处理，研究重熔条件对ZL205A合金的热处理状态的组织和性能的影响。
第2章实验材料与实验方法
2.1实验材料和设备
实验采用北京航空材料研究所生产的ZL205A合金铸锭，对合金进行X射线荧光光谱进行成分分析，得到成分如表2-1所示。
表2-1ZL205A合金化学成分
元素
Al
Cu
Mn
Cd
V
Zr
Ti
Si
Cr
含量（%）
94.6
3.872
0.402
0.148
0.252
0.148
0.296
0.248
0.019
实验使用的加热设备是坩埚电阻炉型号：
JC-K-200-1，最大电压220V，功率：
1KW，额定温度1250℃
热处理采用箱式热处理炉，额定功率为4KW，额定温度1100℃,，采用热电偶测温。
熔炼ZL205A合金使用的石墨坩埚规格为高度H=165mm，内径φ=52mm
收缩率实验采用刚玉管测量ZL205A合金体收缩率，刚玉管规格为长度L=80mm，内径φ=10mm。
还需要φ10×90的ZL205A合金圆棒。
2.2实验方法
重熔实验
合金的重熔以及保温在坩埚电阻炉中进行，每次重熔的ZL205A合金大约50克。
实验前，先将合金块表面的氧化皮去除、干燥。
坩埚要清洁，检查有无裂痕、变形。
加热温度分别为700℃、740℃、780℃，保温时间设定为20分钟，40分钟、60分钟。
设计9组实验，在电阻炉温度稳定后开始保温计时。
保温结束后，合金冷却方式采用随炉冷却。
热处理工艺
将重熔后得到的ZL205A合金块切开，分为两半，对其中一半进行热处理。
表2-1是ZL205A合金的热处理工艺。
本实验使用热处理炉对ZL205A合金进行热处理，采用的工艺为T6。
表2-1ZL205A合金的热处理工艺
热处理状态
固溶处理
时效处理
加热温度/℃
保温时间/h
冷却方式
加热温度/℃
保温时间/h
冷却方式
T5
530±5
18
水/40℃
155±5
8～10
空冷
T6
175±5
3.5
T7
190±5
3～5
2.3分析测试方法
2.3.1试样制备
从重熔后的ZL205A合金锭中间切取试样，用甲基丙烯酸甲酯均聚粉镶嵌切下来到试样。
将镶嵌好的试样依次用240#、600#、809#、1000#、1200#、1500#、2000#的水砂纸进行粗磨，在用金相砂纸进行精磨。
打磨完后，用抛光机进行抛光，先用三氧化二铬抛光液进行抛光，之后用清水继续抛光。
抛光完成后用超声波清洗仪清洗干净。
抛光后试样要进行腐蚀处理。
腐蚀液用Keller's试剂（1%HF+1.5%HCl+2.5%HNO3+95%水），腐蚀时间为30s。
热处理后的试验也作同样的打磨、抛光、腐蚀处理。
收缩率测定
本实验测量的是体收缩率，即高温时熔体体积V0和降到一定温度的体积减少量的比值，一般用百分比表示：
体收缩率=（1－V/V0）×100%
V—冷却到一定温度后合金的体积
V0—熔体体积，即模具型腔的体积
本实验采用的测量收缩率的方法是，把ZL205A切割成圆棒状，置于合金在刚玉管中，加热到780℃，合金熔化、填满管腔后，去除多余的合金熔体。
炉冷后，取出在刚玉管中的ZL205A合金，用排水法测量剩余合金的体积。
组织分析
使用OLYMPUSBH2光学金相显微镜对ZL205A试样进行金相观察，分析组织。
放大倍数为50倍、100倍、200倍
利用S-4700型扫描电子显微镜（SEM）在高放大倍数下观察ZL205A合金组织，并且对不同的合金相进行能谱分析。
使用显微维氏硬度测试仪对试样进行分析。
对于铸态试样，测试晶粒不同位置处硬度，位置为晶粒中间、晶粒边缘和晶界处。
热处理后实验取枝晶的枝干和枝间进行测试。
硬度测试
材料局部抵抗硬物压入其表面的能力称为硬度。
固体对外界物体入侵的局部抵抗能力，是比较各种材料软硬的指标。
根据测试方法的不同，有不同的硬度标准，比较常见的硬度测试方法有布氏硬度、洛氏硬度和维氏硬度等方法。
本实验使用华银HVS-1000B数显显微硬度计，主要技术参数：
硬度范围：
5-3000HV
试验力：
0.09807、0.2452、0.4903、0.9807、1.961、2.942、2.942、4.904、9.807牛顿。
测量系统分辨率：
0.01微米
测量系统测量范围：
200微米
精度：
GB/T4340.2-1999
实验时，载荷用100g，保压
升级会员 