热处理工艺对ZL114A铝合金组织 及力学性能的影响

康福伟　李如一　乔昕　张继敏　樊德智

摘要：為了研究热处理工艺对ZL114A铝合金组织和力学性能的影响，利用金相显微镜、扫描电子显微镜、透射电子显微镜、拉伸实验机等设备对不同热处理后的ZL114A铝合金进行组织观察和力学性能测试。结果表明，随着固溶温度从505℃升高到550℃，合金组织中的共晶硅依次发生熔断、球化和粗化等现象，而且硬度、抗拉强度和延伸率均出现先增加后降低现象，在535℃/12.h时达到最大值，分别为89 7.HB、280.MPa和6 6%;当固溶温度达到550℃时，晶粒粗大，出现过烧现象，硬度和抗拉强度急剧降低，因此，适合的固溶工艺为535℃/12.h。经此固溶工艺处理的ZL114A铝合金经不同温度6.h时效处理，结果表明，随着时效温度从140℃升高到170℃，合金的抗拉强度从286.MPa增加至345.MPa，而延伸率则从6 2%降低至4 0%，在155℃时，其抗拉强度和延伸率分别为315.MPa和5 2%，较铸态时抗拉强度提高了81 0%，延伸率提高了108 0%。从企业对产品实际性能需求出发，最佳的热处理工艺制度为535℃/12.h+155℃/6.h。

关键词：

ZL114A合金;热处理;组织;力学性能

DOI：10 15938/j jhust 2019 01 019

中图分类号： TG166 3

文献标志码： A

文章编号： 1007-2683（2019）01-0113-05

Effects of Heat Treatment Processing on the Microstructure

and Mechanical Properties of ZL114A Aluminum Alloy

KANG Fu wei 1，LI Ru yi 1，QIAO Xin 2，ZHANG Ji min 1，FAN De zhi 1

（1 School of Materials Science and Engineering， Harbin University of Science and Technology，Harbin 150040，China;

2 Aero Engine （Group） Corporation of China Harbin DongAn Engine Co LTD ， Harbin 150066， China）

Abstract：In order to study the effects of heat treatment on microstructure and properties of ZL114A aluminum alloy， microstructure observation and mechanical properties test of ZL114A aluminum alloy after different heat treatment were investigated by optical microscope， scanning electron microscope （SEM）， transmission electron microscope （TEM）， and tensile testing machine The results show that， with the increasing of the solution temperature from 505℃ to 550℃， fuse， spheroidization and coarsening phenomenon occurred in eutectic silicon of ZL114A alloy， hardness， tensile strength and elongation were increased， reached the maximum value at 535℃/12.h， 89 7.HB， 280.MPa and 6 6%， respectively At the solution temperature 550℃， because grain become coarse and arise overburnt feature， the hardness and tensile strength decreased dramatically Therefore， suitable for the solution process is 535℃/12.h The solution treated ZL114A alloy was aged at various temperature for 6.h， the results show that with the increase of aging temperature from 140℃ to 170℃， the tensile strength increased from 286.MPa to 345.MPa， while the elongation decreased from 6 2% to 4 0% At 155℃， the tensile strength and elongation were 315.MPa and 5 2%， respectively Comparing with as casting ZL114A alloy， the tensile strength increased by 81%， and elongation increased by 108% According to the actual demand of the enterprise， the optimum heat treatment process is 535℃/12.h +155℃/6.h

Keywords：ZL114A alloy; heat treatment; microstructure; mechanical properties

0引言

ZL114A是一种典型的高强高韧铸造Al Si合金，国外与之相似的合金牌号为A357（美国军标，Al 7Si 0 6Mg），主要用于制造航空航天飞行器复杂零部件以及汽车等承受高负荷的零部件[1-2]。我国航空航天企业生产的ZL114A合金构件通常是按HB5480 91或HB962 2001的铸造标准进行设计制造的，虽然合金热处理后的性能指标远高于GB/T1173 2013的规定，但与国外A357合金砂型铸件性能相比仍存在一定差距[3-6]。因此，为了提高ZL114A合金的综合力学性能，近年来研究人员在合金成分优化、熔体精炼、微合金化、热处理工艺等方面开展了一些研究工作[7-10]，提高了ZL114A合金的力学性能。但在实际生产中仍存在某些问题，如合金零件性能稳定性差，合格率低。通过对某企业废品零件的分析，发现热处理工艺是造成该问题的主要原因。ZL114A铝合金的热处理工艺主要由固溶淬火与人工时效两个工艺组成，这两个工艺对合金第二相大小、形态、数量等有重要影响，从而导致合金性能的变化[11-14]。因此，本文主要研究固溶和时效工艺对ZL114A合金组织和力学性能的影响，以期望对航空复杂零件的生产提供理论指导。

1实验材料及方法

实验所用的ZL114A合金成分如表1所示。采用砂型铸造法浇注实验用试棒，一箱两件，图1（a）为砂箱示意图，试棒尺寸如图1（b）所示。试棒经不同固溶工艺处理后，通过组织分析和力学性能测试，优化出最佳固溶工艺。经该固溶工艺处理后，试棒经不同时效工艺处理并进行组织和性能分析，从而优化出最佳时效工艺。热处理实验方案如表2所示。用光学显微镜和FEI sirion200型扫描电子显微镜观察合金组织，在Instron 5500R万能试验机上按照国标GB228 2002进行拉伸实验，拉伸速率为4.mm/min，每个实验条件下各拉伸三根试棒，力学性能取平均值。

2实验结果与分析

2 1固溶处理对ZL114A合金组织及力学性能的影响

固溶温度和时间对ZL114A合金组织和性能影响较大。图2是铸态及不同固溶处理后的ZL114A合金金相组织照片。由图2（a）可知铸态组织主要由白色的 α Al基体，分布在其周围的深色块状共晶Si，细小白色的Mg 2 Si相及杂质铁相（AlFeMnSi）组成。随着固溶温度的升高，共晶Si尺寸变小，形态由块状变为条状和球状，而组织中的Mg 2 Si相逐渐溶解到基体 α Al相中，溶入基体中的元素越多，固溶强化效果越好。但温度达到550℃时，如图2（e）所示， α Al晶粒粗大，出现了组织过烧特征。由此可知，固溶温度应在550℃以下。

图3为固溶温度535℃不同保温时间的ZL114A合金金相组织。从图中清晰可见棒状共晶Si的熔断、球化及粗化过程。保温6h后3（a）图，部分共晶 Si已经开始发生熔断， 从图3（b）、3（c）和 3（d） 可以看出，随着固溶时间的延长，更多的棒状共晶Si熔断，并逐渐球化。当固溶保温时间为14h时，如图3（e），组织中的共晶Si相开始出现聚集长大，逐渐粗化。

图4为不同固溶处理对ZL114A合金硬度及拉伸性能的影响。从图4（a）可见，除550℃外， 随着固溶温度升高或保温时间的延长，合金硬度增加，在535℃/12.h时硬度达到最大值。这主要是由于固溶温度越高，时间越长，溶解到基体 α Al中的Mg 2Si越充分，引起的晶格畸变就越严重，固溶强化效果就会越好。而温度达到550℃时随着保温时间的延长，硬度降低，由前述可知，这是由于过烧引起的。一般情况下金属材料的硬度变化规律与其拉伸强度呈正比，除550℃外，其余3个固溶条件下的拉伸试棒力学性能与铸态试棒拉伸性能对比如图4（b） 所示。由图可见，抗拉强度和延伸率都隨着固溶温度升高和时间的延长而增加，在535℃/12.h时，抗拉强度为280.MPa，延伸率为6 6%，比铸态时的174.MPa和2 5%提高很多，综上得出ZL114A合金最佳固溶处理工艺为535℃/12.h。

2 2时效处理对ZL114A合金组织及力学性能的影响

图5是在535℃×12.h固溶处理后经140℃、155℃、170℃，6.h时效处理的ZL114A合金组织照片。由图可见随着时效温度的升高，析出相数量不断增多，时效强化作用增强，合金的强度应该逐渐升高。

众所周知，Al Si Mg合金随着时效温度的升高，时效沉淀是通过以下步骤完成的，即过饱和 α 固溶体→G P 区→ β ′相（Mg 2Si）→ β 相（Mg 2Si）。图6是不同时效处理后的ZL114A合金透射电镜显微组织照片。在时效过程中，如图6（a）所示，白色铝基体上分布的黑色球状相为G P Ⅰ区，针状相为G P Ⅱ区（即 β ″相）。由于G P 区与基体呈共格关系，产生共格畸变，使强度提高，由于畸变程度较低，其强化作用有限。随着时效温度升高，由图 6（b） 和6（c）可以看出，针状 β ″相开始向棒状 β ′相（Mg 2 Si）转变， β ′相沿着铝基体的[001]面析出，呈现出互相垂直的棒状形态，且均匀分布于基体上，由于 β′相与基体保持共格关系，在其周围形成强的畸变应力场，从而使合金强度提高。若温度再升高，β′相转变为β相，β 相与基体为非共格关系，强化作用减小，合金强度降低，即过时效。所以在170℃/6.h时效处理下抗拉强度应该最高。

图7为不同时效温度下的抗拉强度和延伸率测量值，与上述组织分析结果相一致。可见，随着时效温度的升高，抗拉强度随之增加，但延伸率有所降低，在170℃时分别达到345.MPa和4 0%。从企业对ZL114A合金构件综合力学性能要求，时效温度为155℃更合适，此时的抗拉强度和延伸率分别为315.MPa和5 2%。

3结论

1）随着固溶温度从505℃ 升高至550℃，ZL114A合金抗拉强度和延伸率均呈现先增加后降

低的变化规律，性能的降低是由于在550℃时出现过烧现象引起的，最佳固溶处理工艺为535℃/12.h，60℃水冷，此时的抗拉强度为280.MPa，延伸率为6 6%。

2）时效温度从140℃升高至170℃，析出相共格强化作用逐渐增强，导致抗拉强度逐增加，而延伸率则逐渐降低;在155℃时，其抗拉强度和延伸率分别为315.MPa和5 2%;

3）根据企业对ZL114A综合力学性能要求，最佳热处理工艺为535℃/12.h （60℃水冷）+155℃/6.h （空冷）。

参 考 文 献：

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