固溶處理工藝對(duì)zl115鋁合金組織與性能的影響

所列氏合金具有適應(yīng)性強(qiáng)、耐腐蝕性好、成產(chǎn)率好、表面處理性能好等特點(diǎn)，因此在船舶制造業(yè)的木蘭制造中得到了廣泛應(yīng)用。而作為Al-SiMg系合金中非常重要的ZL115合金是我國(guó)生產(chǎn)鑄鋁法蘭的主要材料,要使該合金達(dá)到國(guó)際上的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的性能,必須進(jìn)行熱處理強(qiáng)化中的固溶強(qiáng)化和時(shí)效強(qiáng)化。本文旨在通過(guò)研究鑄造鋁合金熱處理固溶強(qiáng)化原理,改良ZL115熱處理工藝,提高ZL115力學(xué)性能。1固溶強(qiáng)化處理對(duì)第二相在基體相中的固溶度隨溫度降低而顯著減小的合金,可將它們加熱至第二相能全部或最大限度地溶入固溶體的溫度,保持一定時(shí)間后,已快于第二相自固溶體中析出的速度冷卻(淬火),即可獲得過(guò)飽和固溶體。這樣的熱處理方法被稱為固溶處理或淬火。其原理是:合金元素溶入基體后,使基體金屬的位錯(cuò)密度增加,同時(shí)晶格發(fā)生畸變。固溶處理,是鑄造鋁合金強(qiáng)化熱處理的第一個(gè)步驟。固溶處理后,隨即進(jìn)行時(shí)效處理,合金即可得到顯著強(qiáng)化。固溶強(qiáng)化的特點(diǎn)是:在使材料的強(qiáng)度、硬度提高的同時(shí),還能保持良好的塑性。對(duì)A1-Si-Mg合金來(lái)說(shuō),基體中只有Si,Mg兩種強(qiáng)化元素,所以單獨(dú)進(jìn)行固溶強(qiáng)化,對(duì)提高材質(zhì)的性能不是十分明顯,必須隨后進(jìn)行時(shí)效處理才能起到強(qiáng)化作用。2zl115加熱實(shí)驗(yàn)材料和方法2.1zl115的驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)和分解ZL115的化學(xué)成分,見(jiàn)表1。2.2新熱處理工藝下的土體力學(xué)性能測(cè)試本文的熱處理實(shí)驗(yàn)方法為:將同一爐批次的ZL115合金澆注成標(biāo)準(zhǔn)試棒,按設(shè)計(jì)的新熱處理工藝放入SX-4-10型箱式電阻爐內(nèi),先進(jìn)行固溶處理,保溫一段時(shí)間后迅速淬火,進(jìn)行時(shí)效處理,保溫若干時(shí)間后取出爐膛空冷,隨后進(jìn)行力學(xué)性能測(cè)試和金相顯微組織觀察。2.3熱處理工藝方案設(shè)計(jì)ZL115標(biāo)準(zhǔn)熱處理工藝方案T5為常規(guī)固溶加單級(jí)時(shí)效處理工藝,熱處理后ZL115合金力學(xué)性能較差。主要是因?yàn)楣倘芴幚頊囟入m然低于三元共晶溫度20℃,但由于在晶界處有部分低熔點(diǎn)共晶體,在540℃發(fā)生了重熔即過(guò)燒,造成ZL115力學(xué)性能下降,此外,由于固溶時(shí)間較短,固溶不充分,在隨后的時(shí)效處理過(guò)程中,析出強(qiáng)化相數(shù)量有限,進(jìn)一步降低了其力學(xué)性能。本實(shí)驗(yàn)中所設(shè)計(jì)的熱處理工藝方案除T5外,均為分級(jí)固溶。ZL115熱處理工藝方案,見(jiàn)表2。3力學(xué)性能測(cè)試數(shù)據(jù)分析ZL115試樣經(jīng)新熱處理工藝固溶與時(shí)效處理后,通過(guò)力學(xué)性能測(cè)試得出力學(xué)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)(見(jiàn)表3),并將力學(xué)性能測(cè)試試樣制備成金相試樣,通過(guò)金相顯微鏡及掃描電鏡觀察試樣顯微組織,結(jié)合力學(xué)性能測(cè)試數(shù)據(jù)分析熱處理工藝參數(shù)對(duì)其顯微組織的影響,并確定最優(yōu)熱處理工藝參數(shù)。4固溶工藝參數(shù)對(duì)zl115金相微結(jié)構(gòu)的影響分析4.1固溶過(guò)程及晶界區(qū)域分析ZL115試樣經(jīng)未分級(jí)固溶與分級(jí)固溶處理的顯微組織有明顯的不同,如圖1所示。圖1(a)是540±3℃×7h固溶工藝處理試樣的金相組織照片。由于未分級(jí)固溶,試樣在540℃較高溫度下長(zhǎng)時(shí)間保溫,使易熔化的低熔點(diǎn)組成物來(lái)不及充分溶于α基體中就發(fā)生了重熔,即出現(xiàn)了組織過(guò)燒。由圖可見(jiàn),出現(xiàn)了過(guò)燒的黑色蠕蟲(chóng)狀晶界區(qū),說(shuō)明過(guò)燒嚴(yán)重。組織過(guò)燒嚴(yán)重將導(dǎo)致力學(xué)性能顯著降低。圖1(c)(520±3℃×5h+540±3℃×7h)是分級(jí)固溶工藝處理試樣的金相組織照片。由圖可見(jiàn),沒(méi)有出現(xiàn)明顯的晶界局部發(fā)毛和加粗的過(guò)燒現(xiàn)象,這主要是因?yàn)榉旨?jí)固溶工藝中的一級(jí)固溶溫度較低且保溫時(shí)間長(zhǎng),使易發(fā)生過(guò)燒的低熔點(diǎn)組成物(一般是指共晶體)充分溶于α基體中,隨后升高溫度,進(jìn)行終固溶,提高固溶體溶解度。圖1(b)(510±3℃×5h+540±3℃×7h)第一級(jí)固溶溫度比較低固溶效果略低于圖1(c)工藝,從圖上共晶硅尺寸也可以看出(c)圖硅顆粒尺寸稍大些,這是由于溫度較低,距共晶溫度點(diǎn)遠(yuǎn),固溶效果較差。圖1(c)金相圖上可以看出,晶界處還是有微微有些發(fā)毛加粗現(xiàn)象,說(shuō)明還是有輕微過(guò)燒跡象。雖然圖1(c)有輕微過(guò)燒現(xiàn)象,但其試樣力學(xué)性能還是要好于圖1(b)工藝試樣,說(shuō)明輕微過(guò)燒比未完全固溶更能提高鋁合金力學(xué)性能。圖1(d)(530±3℃×5h+540±3℃×7h)也采用了分級(jí)固溶,但由于第一級(jí)固溶溫度比較高晶界上仍然出現(xiàn)了過(guò)燒,導(dǎo)致力學(xué)性能下降。由于溫度越高固溶效果越好,生產(chǎn)效率也越高,故第一級(jí)固溶溫度為520℃。4.2級(jí)固溶保溫時(shí)間在終固溶和時(shí)效工藝相同的條件下,一級(jí)固溶溫度為520℃,改變一級(jí)固溶時(shí)間,分別為8h和4h對(duì)試樣處理后的金相顯微組織見(jiàn)圖1(c)和圖2所示。顯然,圖2(b)中硅的尺寸比圖2(a)和圖1(c)中硅的晶粒尺寸小,且數(shù)量多。試樣經(jīng)6h長(zhǎng)時(shí)間較低溫度的一級(jí)固溶,保證了低熔點(diǎn)組成物充分溶于α基體中,晶界上粗大的硅也較多溶于α基體中,其后時(shí)效析出的硅細(xì)小、數(shù)量多且在晶界上連續(xù)分布,見(jiàn)圖2(b)。圖2(a)由于一級(jí)固溶保溫時(shí)間短,固溶不足,使粗大的共晶硅未能充分溶進(jìn)α基體中,造成鑄態(tài)組織中粗大的硅保留在組織中;同時(shí),淬火后α基體過(guò)飽和程度低,時(shí)效析出的硅細(xì)小且數(shù)量少,造成硅的尺寸不均一。所以,隨一級(jí)固溶保溫時(shí)間的延長(zhǎng),固溶體的固溶度提高。圖2(b)、(c)、(d)中硅晶粒尺寸無(wú)明顯差別,這是由于固溶時(shí)間充足,固溶效果好。但圖2(c)、(d)試樣的力學(xué)性能較圖(b)略低,這是由于圖(c)、(d)固溶時(shí)間過(guò)長(zhǎng)造成晶界過(guò)燒,使力學(xué)性能有所下降。由于經(jīng)過(guò)一級(jí)固溶6h、7h和8h工藝顯微組織基本一致,而6h工藝的試棒力學(xué)性能較好,考慮到提高生產(chǎn)效率節(jié)約生產(chǎn)成本的因素,故一級(jí)固溶時(shí)間選用6h。4.3終固溶時(shí)間與金相組織的關(guān)系一般來(lái)說(shuō),在不發(fā)生過(guò)燒條件下,固溶溫度高些,保溫時(shí)間長(zhǎng)些,有利于獲得最大過(guò)飽和度的均勻固溶體。在一級(jí)固溶和時(shí)效工藝相同的條件下,終固溶溫度為540℃,改變終固溶時(shí)間,分別為5h、6h、8h、9h對(duì)試樣處理后的金相顯微組織,如圖2(b)和圖3所示。圖2(b)是終固溶時(shí)間為7h試樣的金相顯微組織,已在上面分析過(guò)。圖3(a)、(b)是終固溶時(shí)間為5h、6h試樣的金相顯微組織。由圖可見(jiàn),圖3(a)晶界上硅的尺寸較大,這是由于固溶時(shí)間短尺寸較大的硅未充分溶入α基體,淬火后仍保留在晶界上。圖3(b)晶界上的硅尺寸與圖2(b)晶界尺寸基本一致。圖3(c)、(d)由于終固溶時(shí)間較長(zhǎng),硅大量溶入α基體中,粗大的共晶硅雖不能完全溶入ɑ基體,但固溶處理后尺寸已有所減小。時(shí)效處理時(shí),硅在晶界上均勻析出。所以圖3(c)、(d)中硅的尺寸比圖2(b)中的硅更細(xì)小。圖3(d)是終固溶時(shí)間為9h試樣的金相顯微組織,圖中第二相硅顆粒尺寸和分布與圖3(c)非常相似,但圖3(d)中較粗大硅顆粒比圖3(c)略少,說(shuō)明終固溶保溫時(shí)間越長(zhǎng),越有利于獲得最大過(guò)飽和度的均勻固溶體,但在晶界上出現(xiàn)了輕微過(guò)燒現(xiàn)象,這是因?yàn)榻K固溶時(shí)間過(guò)長(zhǎng)造成的。通過(guò)上述分析,可以判斷固溶溫度越高,固溶效果越好;固溶時(shí)間越長(zhǎng),固溶效果越好。在隨后的時(shí)效析出過(guò)程中,晶界上的共晶硅尺寸更細(xì)小更均一。終固溶溫度540℃時(shí),終固溶時(shí)間為7h的熱處理工藝處理試樣力學(xué)性能最好,因此,終固溶時(shí)間選取7h。5固溶溫度及終固溶時(shí)間(1)常規(guī)固溶處理時(shí),試樣在540℃較高溫度下長(zhǎng)時(shí)間保溫,使易熔化的低熔點(diǎn)組成物來(lái)不及充分溶于α基體中而發(fā)生了組織過(guò)燒。當(dāng)一級(jí)固溶溫度分別為510℃、520℃、530℃時(shí),通過(guò)顯微組織觀察分析發(fā)現(xiàn),隨著溫度升高,固溶度逐漸提高,但530℃時(shí),低熔點(diǎn)共晶體在晶界處還是出現(xiàn)了過(guò)燒現(xiàn)象,導(dǎo)致力學(xué)性能下降,故第一級(jí)固溶溫度為520℃。(2)工藝參數(shù)不變,一級(jí)固溶保溫時(shí)間分別為4h、5h、6h、7h、8h,通過(guò)顯微組織觀察分析發(fā)現(xiàn),隨著時(shí)間延長(zhǎng),固溶度逐漸提高,但保溫時(shí)間超過(guò)6