铸造铝合金半连续铸棒组织与性能均匀性研究

陶健全，王修涛，陈喜栋，孙际鹏，王茂川，王艳彬，向林

铸造铝合金半连续铸棒组织与性能均匀性研究

陶健全1，王修涛2，陈喜栋1，孙际鹏1，王茂川1，王艳彬1，向林1

（1.西南技术工程研究所，重庆 400039；2.山东省机械设计研究院，济南 250000）

研究ZL114A合金和ZL205A合金半连续铸棒不同部位的力学性能与微观组织，分析铝合金半连续铸棒的均匀性。分别对半连续铸棒的中心位置、/2位置、边缘位置进行取样，对比分析各部位的力学性能及微观组织。ZL114A合金的抗拉强度为338～355 MPa，断后伸长率为9%～11.5%；ZL205A合金的抗拉强度为465～485 MPa，断后伸长率为12%～15%。与铸棒中心位置相比，铸棒边缘位置的晶粒尺寸更小，性能也更优异，但ZL114A合金铸棒的边缘位置存在夹渣缺陷，导致其力学性能低于铸棒中心位置的力学性能。采用半连续铸造工艺制备的ZL114A合金和ZL205A合金均具有细小、均匀的微观组织，且组织越细小的部位，力学性能越高，存在凝固缺陷的部位，力学性能较低。

ZL114A；ZL205A；半连续铸造；微观组织；力学性能

随着武器装备的高速发展，对结构件提出了轻质、高强的要求，构件结构设计逐渐向大型、复杂、薄壁等方向转变。铸造铝合金因具有密度低、力学性能与铸造成形能力良好等特点，被广泛应用于航空、航天、汽车等领域[1-8]，铝合金铸造工艺能够很好地成形复杂构件，与其他加工工艺相比，可以大幅提高构件的制造效率、降低综合制造成本。常用的铸造铝合金包含Al–Si系和Al–Cu系，其中，ZL114A和ZL205A合金分别为Al–Si系和Al–Cu系铸造铝合金的典型代表合金。许多学者对Al–Si合金和Al–Cu合金的组织、性能、缺陷控制等方面开展了相关研究[9-13]。Yu等[9]研究了T6热处理对Al–Si合金疲劳性能的影响。Hao等[10]研究了Al–Si合金在半连续铸造与重力铸造过程中的相析出行为及性能变化情况。Shaga等[11]研究了凝固速率对ZL205A基复材组织的影响。Luo等[12]研究了ZL205A在磁场辅助凝固条件下的组织、缺陷与性能变化情况。Wen等[13]采用单晶方法研究了Al–Cu合金晶体取向对腐蚀行为的影响。通过前期调研，对现有报道中ZL114A、ZL205A合金的性能进行统计分析，结果表明，ZL205A合金在T5热处理状态下，抗拉强度为398～461 MPa，断后伸长率为4.1%～14%[14-15]；ZL114A合金在T5热处理状态下，抗拉强度为295～310 MPa，断后伸长率为4%～5%[4,16]。根据统计结果可以发现，ZL205A合金性能较为分散，ZL114A合金性能较低，难以满足武器装备高速发展的需求。半连续铸造的方法可以制备出晶粒细小、组织致密的铸造铝合金，提高铸造铝合金的力学性能。然而，学者们普遍关注的是如何提高半连续铸造铝合金的成形尺寸及夹渣缺陷控制等方面[17]，对半连续铸造铝合金铸棒本身的组织、性能均匀性的研究却鲜有报道。为此，文中开展了ZL114A、ZL205A等常用铸造合金半连续铸棒的组织、力学均匀性研究。

1 试验

采用的半连续铸造铝合金包括ZL114A合金和ZL205A合金，合金状态均为T5热处理态，半连续铸棒尺寸为180 mm，合金主要化学成分如表1所示，其余杂质元素均满足GB/T 1173—2013要求。为研究半连续铸棒的组织和力学均匀性，采用线切割机分别在180 mm半连续铸棒的中心位置、/2位置、（半径）位置进行取样，并加工出拉伸试样，如图1所示。测试拉伸试样的力学性能，并观察其微观组织。

拉伸性能试验所用设备为CSS–44100型电子万能试验机，依据GB/T 228.1，选择拉伸试验速度为1 mm/min，每个部位的试样测试3根，结果取平均值。分别使用240#、400#、800#、1000#、1600#、2000#砂纸对金相试样进行打磨，并使用研磨膏对其进行研磨抛光，然后采用OLYMPUS–GX71金相显微镜进行金相组织观察。

表1 合金成分

Tab.1 Chemical composition of alloy wt.%

图1 试样取样位置及试样实物

2 结果与分析

2.1 力学性能

ZL114A合金半连续铸棒不同部位的力学性能如图2所示。可以发现，ZL114A合金的抗拉强度为338～355 MPa，断后伸长率为9%～11.5%，其中，铸棒中心位置的抗拉强度高达353 MPa，断后伸长率为11.5%，而铸棒边缘位置的抗拉强度只有338 MPa，断后伸长率为9%。值得注意的是，铸棒边缘位置的强度和断后伸长率均低于心部和/2位置的。一般来说，半连续铸棒边缘位置冷却速度较快，会形成晶粒细小组织，力学性能较好，显然，这与文中试验结果不符。根据王松涛等[15]的研究可知，偏析、夹杂、缩孔等铸造缺陷的存在会显著降低合金力学性能。因此，推测铸棒边缘位置存在铸造缺陷，后续微观组织分析结果印证了这一推测。

图2 ZL114A合金半连续铸棒不同部位的力学性能

ZL205A合金半连续铸棒不同位置的力学性能见图3。可以发现，铸棒不同位置的强度比较均匀，集中在465～485 MPa，断后伸长率为12%～15%。进一步分析发现，与ZL114A半连续铸棒不同，ZL205A铸棒边缘位置的抗拉强度和断后伸长率均高于铸棒中心位置的，说明ZL205A铸棒内部质量较好，不存在铸造缺陷，后续微观组织分析结果与力学性能结果吻合。

2.2 微观组织

ZL114A合金半连续铸棒不同位置的微观组织如图4所示。可以发现，铸棒不同部位的组织总体较为均匀，均由α–Al基体和分布在基体晶界位置的共晶硅相组成，晶粒尺寸较为细小，为20～50 μm，共晶硅相呈现球状。有研究表明[18-21]，铸造铝合金中第二相的形貌与合金性能密切相关，若第二相呈现尖锐状，则此时第二相位置易成为裂纹萌生位置，这会显著降低合金的力学性能。因此，具有球状共晶硅相的ZL114A合金半连续铸棒具有较好的强度和塑性。使用Ipp软件对不同部位的晶粒尺寸进行统计分析可以发现，铸棒心部位置的α–Al基体晶粒尺寸为40～ 50 μm，而铸棒边缘位置的α–Al晶粒尺寸为20～ 35 μm。由细晶理论可以推测出铸棒边缘位置的力学性能较好，但这与实际测试结果相反。从图4c可以发现，铸棒边缘位置的微观组织中存在针状的夹渣缺陷。在铸造成形过程中，精炼效果差、浇注时间过长等情况均会导致铝熔体质量较差，进而易形成夹渣缺陷，缺陷形成位置较为随机，该缺陷会导致力学性能明显降低。

图3 ZL205A合金半连续铸棒不同位置的力学性能

图4 ZL114A合金半连续铸棒不同位置的微观组织

图5为ZL205A合金半连续铸棒不同位置的微观组织。可以发现，不同部位的组织大体相似，均由α–Al基体、晶间θ（Al2Cu）相以及弥散T相（Al12CuMn2）组成。不同的是，铸棒边缘位置组织中的弥散T相较多，如图5c所示，结合高倍组织分析结果可知，铸棒边缘位置的晶粒较为细小，为30～40 μm，而心部位置晶粒尺寸为50～70 μm。根据力学性能分析可知，虽然ZL205A铸棒边缘位置的抗拉强度与其他位置的强度差异较小，但是其断后伸长率却高达15%左右，这是因为晶粒越细小，晶界越多，在拉伸过程中，位错不断萌生，进而发生滑移，当位错滑移至晶界时，晶界阻碍位错运动，从而形成了位错塞积，这有利于塑性的提高。另外，有研究表明[17]，在ZL205A合金中，Cu元素为强化元素，凝固时会与Al结合生成θ相，有利于提高合金的力学性能；Mn元素会与Cu、Al反应生成T相，弥散分布在基体中，起到弥散强化作用，有利于提高合金的强度与塑性。所以，在晶粒尺寸、第二相含量等因素的作用下，铸棒边缘位置的塑性高于心部位置及/2位置的。整体来说，ZL205A合金铸棒的力学性能较好且不同部位间的性能差异较小。

图5 ZL205A合金半连续铸棒不同位置的微观组织

3 结论

1）半连续铸造工艺制备出的铸造铝合金具有较为优异的强韧性。在T5状态下，ZL114A合金的抗拉强度高达338～355 MPa，断后伸长率为9%～11.5%；ZL205A合金的抗拉强度为465～485 MPa，断后伸长率为12%～15%。

2）铸造铝合金半连续铸棒不同部位的组织细小、均匀。ZL114A合金心部位置晶粒尺寸为40～50 μm，而铸棒边缘位置的α–Al晶粒尺寸为20～35 μm；ZL205A合金铸棒心部位置晶粒尺寸为50～70 μm，而边缘位置的晶粒尺寸为30～40 μm，边缘位置基体晶粒较为细小。

3）ZL114A合金半连续铸棒中夹渣缺陷的存在会降低合金的抗拉强度和断后伸长率。

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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

国家自然科学基金面上项目（51971099）

陶健全（1983—），男，硕士，高级工程师，主要研究方向为轻合金精密铸造成形。

责任编辑：蒋红晨