熔体过热温度对ZL114金属组织及力学性能的影响

摘 要：本文的研究背景及目标：金属产品在很大程度上是由原始熔体的结构决定其本省的性能和组织，炉料的原始状态对液态和固态合金的结构有极大的遗传影响。本课题主要从亚共晶铝合金遗传性的角度出发，系统地研究热速处理过程中，过热温度对ZL114合金组织、力学性能影响，以及对第二相形态、尺寸、分布的影响，建立并优化ZL114合金热速处理工艺参数。

关键词：过热温度 影响

中图分类号：TG1 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2013）02（a）-0136-02

1 实验材料

实验材料采用的是工业用的铸造Al-Si-Mg系列合金ZL114，运用ICP的化学成分进行分析测试，其具体成分如表1所示。

2 实验方案

在相同的冷却条件下，冷却到690 ℃浇注。

（1）将合金加热到700℃～710 ℃冷却到690℃浇注1炉，共2根试棒。

（2）将合金加热到730 ℃～740 ℃时，进行除气，所用精炼剂为六氯乙烷，质量为合金的0.3%～0.4%，静置10 min后继续加热，直至升温至760±5 ℃，保温10 min，将其倒入另一小坩埚进行快速冷却，至690 ℃，搅拌后静置浇注，冷却时间为10 s。

（3）将合金加热到850 ℃～860 ℃时，将其保温10 min，然后将其倒入到另一个小坩埚内，进行快速冷却，冷却至690 ℃，同时冷却的时间是20～25 s。

3 实验步骤

3.1 熔炼及浇铸

坩埚电阻炉的炉膛为Φ200×250 mm，其型号为SG-5-12，在坩埚电阻炉中加热至950 ℃，

按照实验方案进行加热，渣滓杂质捞出，分别冷却至690 ℃时在进行浇注。最后，待温度冷却到位时，将砂型敲碎取出浇注好的试棒锯下，进行修剪，然后在用车床车成小棒状进行拉伸的实验备用。

3.2 拉伸实验

在INSTRON5706型实验机上测试延伸率、断裂强度和屈服强度等每个实验取三个试样的平均值。

3.3 金相实验

使用的化学腐蚀剂是由50%工业无水乙醇，10%硝酸，20%盐酸和20%过饱和的苦味酸配制而成，由于K3合金具有良好的抗腐蚀性，故采用腐蚀时间15 min。腐蚀方式：擦蚀。当试样表面刚刚变黑时，腐蚀结束，用清水冲洗，然后用蘸有酒精的棉球在试样表面轻擦。在XJP-200和OlympusTG-3金相显微镜下观察α相、共晶体α+Si的形貌和分布情况；采用Leica万能定量金相显微镜及图像处理与分析系统测量凝固组织的枝晶间距、相的厚度和相的体积（面积）百分数（如表2，3）。

4 实验结果及分析

4.1 力学性能实验结果及分析

表4中，由试样经过700 ℃处理的拉伸强度为177 MPa，合金熔体经850 ℃热速处理试棒的抗拉强度为181 MPa，可以看出：相对于700 ℃处理的试样的屈服强度有所减小，但拉伸强度有所增加，拉伸韧性提高。经950 ℃热速处理的试样的拉伸性能，抗拉强度也只有184 MPa。但是合金熔体经740 ℃热速处理试棒的拉伸性能，与原始材料相比，屈服强度明显增加，尽管未经热处理过程，但是其拉伸强度高达188 MPa。是一项非常大的突破。

第一个为原材料的700 ℃处理的试样，延伸率只有2.4%。第二个为合金熔体经740℃热速处理试棒，延伸率增加，拉伸韧性提高。第三个为合金熔体经850℃热速处理试棒的拉伸性能，延伸率降低为3.6%。第四个为样品经950℃热速处理的拉伸性能，表现为相当高的韧性，延伸率为4.3%。

从表4中可以看出，ZL114合金的抗拉强度和相对延伸率均在热速处理工艺后比原始材料增大，其韧性都大大的增大。尤其是经过740℃热速处理的试样，相对延伸率非常高，其抗拉强度也很好。

4.2 金相实验结果及分析

图1为ZL114合金熔体经不同温度热速处理后保温10 min后迅速降温至690 ℃浇铸的显微组织。比较图1（a）（b），不难发现α枝晶臂随着处理温度的升高而由粗大变得细小，在700 ℃时α枝晶臂较长，且呈明显的长短不一，分布也不均匀，而在740 ℃处理之后，α枝晶臂与前相比变短且均匀了；随着温度的增加，在850 ℃过热处理后，如图1（c），二次枝晶臂间距虽然增大，但α相面积变小，其外观近球形，二次枝晶臂从一次枝晶干根部发生熔断及粒化现象，共晶区域增大，一次枝晶间距也变细变小约为56μm；图1（d）中所示950 ℃热速处理的试样较之图1（c）二次枝晶间距有所减小，更加近似于图1（b）的形貌。

结果分析：由于温度处理比前一过程温度提高了100 ℃，和金熔体进入了Al-Al原子团簇解体区域。由于尺寸较大的Al-Al原子团簇破裂，使得原子团簇的尺寸有所减小，数量增多，合金熔体在快速降温的过程中，虽然温度己降低到690 ℃，但结构状态的改变滞后于温度的变化，α-Al的形核与生长主要靠Al原子的扩散进行，由于冷速较快，Al原子只能进行短程扩散。所以凝固组织中α-Al的枝晶尺寸减小，同时，共晶组织的面积百分比升高。

5 结论

本文针对ZL114合金，通过实验研究了凝固条件、熔体处理、过热处理和热速处理对合金凝固组织和性能的影响。主要结论如下。

（1）熔体温度越高，越容易消除异质形核的核心，增加凝固时的过冷度，有利于组织的细化。

（2）通过熔体热速处理工艺，ZL114合金的抗拉强度和相对延伸率均比原始材料以及细化和变质处理试样增大，其韧性都大大增加。尤其是经过950 ℃热速处理的试样，相对延伸率达4.9%，其抗拉强度也已达到非常高的程度。因此，通过对熔体热速处理，选取合适的处理温度，可以显著提高合金的力学性能。

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