鑄造鋁合金半連續(xù)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(xù)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(shù)工程研究所，重慶 400039；2.山東省機(jī)械設(shè)計(jì)研究院，濟(jì)南 250000）

研究ZL114A合金和ZL205A合金半連續(xù)鑄棒不同部位的力學(xué)性能與微觀組織，分析鋁合金半連續(xù)鑄棒的均勻性。分別對(duì)半連續(xù)鑄棒的中心位置、/2位置、邊緣位置進(jìn)行取樣，對(duì)比分析各部位的力學(xué)性能及微觀組織。ZL114A合金的抗拉強(qiáng)度為338～355 MPa，斷后伸長(zhǎng)率為9%～11.5%；ZL205A合金的抗拉強(qiáng)度為465～485 MPa，斷后伸長(zhǎng)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(yōu)異，但ZL114A合金鑄棒的邊緣位置存在夾渣缺陷，導(dǎo)致其力學(xué)性能低于鑄棒中心位置的力學(xué)性能。采用半連續(xù)鑄造工藝制備的ZL114A合金和ZL205A合金均具有細(xì)小、均勻的微觀組織，且組織越細(xì)小的部位，力學(xué)性能越高，存在凝固缺陷的部位，力學(xué)性能較低。

ZL114A；ZL205A；半連續(xù)鑄造；微觀組織；力學(xué)性能

隨著武器裝備的高速發(fā)展，對(duì)結(jié)構(gòu)件提出了輕質(zhì)、高強(qiáng)的要求，構(gòu)件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)逐漸向大型、復(fù)雜、薄壁等方向轉(zhuǎn)變。鑄造鋁合金因具有密度低、力學(xué)性能與鑄造成形能力良好等特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于航空、航天、汽車等領(lǐng)域[1-8]，鋁合金鑄造工藝能夠很好地成形復(fù)雜構(gòu)件，與其他加工工藝相比，可以大幅提高構(gòu)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(xué)者對(duì)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(guān)研究[9-13]。Yu等[9]研究了T6熱處理對(duì)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(xù)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(duì)ZL205A基復(fù)材組織的影響。Luo等[12]研究了ZL205A在磁場(chǎng)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?qū)Ωg行為的影響。通過前期調(diào)研，對(duì)現(xiàn)有報(bào)道中ZL114A、ZL205A合金的性能進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，結(jié)果表明，ZL205A合金在T5熱處理狀態(tài)下，抗拉強(qiáng)度為398～461 MPa，斷后伸長(zhǎng)率為4.1%～14%[14-15]；ZL114A合金在T5熱處理狀態(tài)下，抗拉強(qiáng)度為295～310 MPa，斷后伸長(zhǎng)率為4%～5%[4,16]。根據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，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(fā)展的需求。半連續(xù)鑄造的方法可以制備出晶粒細(xì)小、組織致密的鑄造鋁合金，提高鑄造鋁合金的力學(xué)性能。然而，學(xué)者們普遍關(guān)注的是如何提高半連續(xù)鑄造鋁合金的成形尺寸及夾渣缺陷控制等方面[17]，對(duì)半連續(xù)鑄造鋁合金鑄棒本身的組織、性能均勻性的研究卻鮮有報(bào)道。為此，文中開展了ZL114A、ZL205A等常用鑄造合金半連續(xù)鑄棒的組織、力學(xué)均勻性研究。

1 試驗(yàn)

采用的半連續(xù)鑄造鋁合金包括ZL114A合金和ZL205A合金，合金狀態(tài)均為T5熱處理態(tài)，半連續(xù)鑄棒尺寸為180 mm，合金主要化學(xué)成分如表1所示，其余雜質(zhì)元素均滿足GB/T 1173—2013要求。為研究半連續(xù)鑄棒的組織和力學(xué)均勻性，采用線切割機(jī)分別在180 mm半連續(xù)鑄棒的中心位置、/2位置、（半徑）位置進(jìn)行取樣，并加工出拉伸試樣，如圖1所示。測(cè)試?yán)煸嚇拥牧W(xué)性能，并觀察其微觀組織。

拉伸性能試驗(yàn)所用設(shè)備為CSS–44100型電子萬能試驗(yàn)機(jī)，依據(jù)GB/T 228.1，選擇拉伸試驗(yàn)速度為1 mm/min，每個(gè)部位的試樣測(cè)試3根，結(jié)果取平均值。分別使用240#、400#、800#、1000#、1600#、2000#砂紙對(duì)金相試樣進(jìn)行打磨，并使用研磨膏對(duì)其進(jìn)行研磨拋光，然后采用OLYMPUS–GX71金相顯微鏡進(jìn)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(shí)物

2 結(jié)果與分析

2.1 力學(xué)性能

ZL114A合金半連續(xù)鑄棒不同部位的力學(xué)性能如圖2所示?？梢园l(fā)現(xiàn)，ZL114A合金的抗拉強(qiáng)度為338～355 MPa，斷后伸長(zhǎng)率為9%～11.5%，其中，鑄棒中心位置的抗拉強(qiáng)度高達(dá)353 MPa，斷后伸長(zhǎng)率為11.5%，而鑄棒邊緣位置的抗拉強(qiáng)度只有338 MPa，斷后伸長(zhǎng)率為9%。值得注意的是，鑄棒邊緣位置的強(qiáng)度和斷后伸長(zhǎng)率均低于心部和/2位置的。一般來說，半連續(xù)鑄棒邊緣位置冷卻速度較快，會(huì)形成晶粒細(xì)小組織，力學(xué)性能較好，顯然，這與文中試驗(yàn)結(jié)果不符。根據(jù)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(huì)顯著降低合金力學(xué)性能。因此，推測(cè)鑄棒邊緣位置存在鑄造缺陷，后續(xù)微觀組織分析結(jié)果印證了這一推測(cè)。

圖2 ZL114A合金半連續(xù)鑄棒不同部位的力學(xué)性能

ZL205A合金半連續(xù)鑄棒不同位置的力學(xué)性能見圖3?？梢园l(fā)現(xiàn)，鑄棒不同位置的強(qiáng)度比較均勻，集中在465～485 MPa，斷后伸長(zhǎng)率為12%～15%。進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)，與ZL114A半連續(xù)鑄棒不同，ZL205A鑄棒邊緣位置的抗拉強(qiáng)度和斷后伸長(zhǎng)率均高于鑄棒中心位置的，說明ZL205A鑄棒內(nèi)部質(zhì)量較好，不存在鑄造缺陷，后續(xù)微觀組織分析結(jié)果與力學(xué)性能結(jié)果吻合。

2.2 微觀組織

ZL114A合金半連續(xù)鑄棒不同位置的微觀組織如圖4所示?？梢园l(fā)現(xiàn)，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(xì)小，為20～50 μm，共晶硅相呈現(xiàn)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(guān)，若第二相呈現(xiàn)尖銳狀，則此時(shí)第二相位置易成為裂紋萌生位置，這會(huì)顯著降低合金的力學(xué)性能。因此，具有球狀共晶硅相的ZL114A合金半連續(xù)鑄棒具有較好的強(qiáng)度和塑性。使用Ipp軟件對(duì)不同部位的晶粒尺寸進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析可以發(fā)現(xiàn)，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(xì)晶理論可以推測(cè)出鑄棒邊緣位置的力學(xué)性能較好，但這與實(shí)際測(cè)試結(jié)果相反。從圖4c可以發(fā)現(xiàn)，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(shí)間過長(zhǎng)等情況均會(huì)導(dǎo)致鋁熔體質(zhì)量較差，進(jìn)而易形成夾渣缺陷，缺陷形成位置較為隨機(jī)，該缺陷會(huì)導(dǎo)致力學(xué)性能明顯降低。

圖3 ZL205A合金半連續(xù)鑄棒不同位置的力學(xué)性能

圖4 ZL114A合金半連續(xù)鑄棒不同位置的微觀組織

圖5為ZL205A合金半連續(xù)鑄棒不同位置的微觀組織?？梢园l(fā)現(xiàn)，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(jié)合高倍組織分析結(jié)果可知，鑄棒邊緣位置的晶粒較為細(xì)小，為30～40 μm，而心部位置晶粒尺寸為50～70 μm。根據(jù)力學(xué)性能分析可知，雖然ZL205A鑄棒邊緣位置的抗拉強(qiáng)度與其他位置的強(qiáng)度差異較小，但是其斷后伸長(zhǎng)率卻高達(dá)15%左右，這是因?yàn)榫ЯＴ郊?xì)小，晶界越多，在拉伸過程中，位錯(cuò)不斷萌生，進(jìn)而發(fā)生滑移，當(dāng)位錯(cuò)滑移至晶界時(shí)，晶界阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)，從而形成了位錯(cuò)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(qiáng)化元素，凝固時(shí)會(huì)與Al結(jié)合生成θ相，有利于提高合金的力學(xué)性能；Mn元素會(huì)與Cu、Al反應(yīng)生成T相，彌散分布在基體中，起到彌散強(qiáng)化作用，有利于提高合金的強(qiáng)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(xué)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(xù)鑄棒不同位置的微觀組織

3 結(jié)論

1）半連續(xù)鑄造工藝制備出的鑄造鋁合金具有較為優(yōu)異的強(qiáng)韌性。在T5狀態(tài)下，ZL114A合金的抗拉強(qiáng)度高達(dá)338～355 MPa，斷后伸長(zhǎng)率為9%～11.5%；ZL205A合金的抗拉強(qiáng)度為465～485 MPa，斷后伸長(zhǎng)率為12%～15%。

2）鑄造鋁合金半連續(xù)鑄棒不同部位的組織細(xì)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(xì)小。

3）ZL114A合金半連續(xù)鑄棒中夾渣缺陷的存在會(huì)降低合金的抗拉強(qiáng)度和斷后伸長(zhǎng)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(guó)家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目（51971099）

陶健全（1983—），男，碩士，高級(jí)工程師，主要研究方向?yàn)檩p合金精密鑄造成形。

責(zé)任編輯：蔣紅晨