提高T5状态ZL205A合金延伸率研究

周洪刚，李 鑫，宋海锋，王 倩，朱 旭，马俊华

(1.江麓机电集团有限公司，湖南 湘潭 411100；2.山西协诚工程招标代理有限公司，山西 太原 030009)

在能源危机初现及节能意识逐渐增强的背景下，制造业将结构轻量化作为提高产品竞争力的重要手段之一，因此越来越多的高强度铝合金被应用于航空航天、汽车及兵器等领域。

ZL205A合金是一种铝-铜系铸造铝合金，该合金经固溶时效处理后具有很高的强度和良好的塑性，是目前工业生产中强度高、综合性能好的铸造铝合金之一，可代替部分铸钢件和锻铝件[1]。ZL205A合金具有3种热处理状态，分别为T5(固溶处理+不完全人工时效)状态、T6(固溶处理+完全人工时效)状态和T7(固溶处理+稳定化处理)状态，其中T5状态的综合性能最好，应用最广泛。

某ZL205A合金产品试制时发现，该合金试样经T5处理后延伸率未达到标准要求。基于此，本文从热处理的角度出发，进行了试验研究，探索出了一种能够提高ZL205A合金T5状态延伸率的工艺。

1 化学成分和性能要求

ZL205A合金的化学成分要求见表1，力学性能试样按GB/T 1173—2013《铸造铝合金》砂模试棒要求制作。经高温变质处理，其形状和尺寸如图1所示。试样经T5处理后，力学性能应达到GB/T 25745—2010《铸造铝合金热处理》规定的要求，即：抗拉强度≥440 MPa，延伸率≥7%。

表1 ZL205A化学成分要求(质量分数) (%)

图1 力学性能试样

2 问题的提出

试制产品的热处理工艺参照GB/T 25745—2010《铸造铝合金热处理》设计，其工艺规范如图2所示。由于之前未生产过ZL205A合金的产品，为验证热处理工艺的可行性，在浇注产品时，特意浇注了24根同熔炼炉批力学性能试样。产品浇注完后，先用力学性能试样进行T5处理试验。第1轮试验完成后，对同熔炼炉批的5根力学性能试样进行检测，其结果见表2。从力学性能检测结果可以看出，5根试样的力学性能均未达到标准要求，主要体现在延伸率偏低。

图2 ZL205A 传统T5热处理工艺

序号抗拉强度/MPa延伸率/%备注14485.0不合格24774.0不合格34615.5不合格44484.5不合格54685.0不合格

3 原因分析

3.1 化学成分

对5根试样进行化学成分检测，其结果见表3。从检测结果可以看出，该批铸件的铜含量均匀性较差，试样1和试样4的铜含量超出了标准规定的上限值。

表3 ZL205A试样化学成分(质量分数) (%)

3.2 显微组织

该批ZL205A合金的铸态组织如图3所示。从图3可以看出，θ(Al2Cu)和Cd相的共晶组织分布在α(Al)固溶体的枝晶间，无过热过烧现象，铸态组织正常。T5工艺热处理后的显微组织如图4所示。从图4可以看出，T(Al12CuMn2)相弥散分布在α(Al)固溶体上，晶界聚集有较多未溶的CuAl2相和其他析出相[2]。

图3 ZL205A合金的铸态组织

图4 ZL205A合金的T5处理组织

3.3 综合分析

从化学成分和显微组织的结果可以看出，该批ZL205A合金的铜含量较高且均匀性较差，采用传统的T5热处理工艺，晶界残留有较多未溶或析出的共晶组织，这些晶界残留物将影响晶间的结合力，导致材料的力学性能降低。

从铸态显微组织来看，该批铸件无过热过烧且铸造缺陷较少(疏松、夹杂和气孔等)，铸态组织正常。若能通过优化热处理参数，改变T5状态强化相的析出，减少晶界残留物的数量，则可提高该批ZL205A合金的性能。

4 工艺试验

4.1 方案制定

传统T5热处理工艺所用的时效规范为单级时效。单级时效的优点是生产工艺比较简单，也能获得很高的强度；但由于缺少充分的成核处理，过渡相易在缺陷和晶界处择优形成，时效后的合金显微组织均匀性较差，难以得到良好的综合性能。

分级时效是将已固溶处理的铸件在不同温度经2次或多次时效处理，按其作用可分为预时效(又称成核处理)和最终时效等2个阶段。预时效处理温度一般较低，目的是在合金中形成高密度的G.P.区。G.P.区通常是均匀生核，当其达到一定尺寸，就可成为随后时效沉淀相的核心[3]，从而大幅提高组织的均匀性，改善铸件T5状态的性能。

结合本批次铸件的化学成分、显微组织及力学性能情况，要想大幅提升其延伸率，必须应用分级时效工艺。

4.2 试验与分析

4.2.1 首轮试验

根据分级时效理论，结合工厂ZL101、ZL104合金在分级时效工艺方面的应用经验，对ZL205A合金进行了分级时效试验，试验方案如图5所示，共处理6根力学性能试样。

图5 ZL205A合金T5分级时效工艺

试验完成后，对6根力学性能试样进行检测，其结果见表4。从检测结果可以看出，6根试样的延伸率均有大幅提高且达到了标准要求，其中3根试样的力学性能完全合格，3根试样由于抗拉强度偏低不合格。

表4 力学性能检测结果

4.2.2 次轮试验

从首轮试验的力学性能结果来看，采用图5所示工艺，试样的延伸率均达到了标准要求，但有半数试样的抗拉强度稍低于标准要求。针对这种情况，应再次调整工艺参数，以提高其抗拉强度。从Al-Cu、Al-Cu-Mn和Al-Cu-Ti相图可知，ZL205A合金的共晶转变温度(过烧温度)为548 ℃，在548 ℃以下，保温时间恒定，加热温度越高，铜的溶解越充分，固溶处理后的强化效果越好，在时效制度相同的情况下，T5处理后的综合力学性能越好。实际生产时，考虑材料的成分均匀性和炉温均匀性等因素，加热温度一般稍低于共晶转变温度。因此，在次轮试验时，在图5工艺的基础上，将固溶处理温度提高至543 ℃，具体方案如图6所示，共处理6根力学性能试样。

图6 改进后的ZL205A合金T5分级时效工艺

试验完成后，对6根力学性能试样进行检测，其结果见表5。从检测结果可以看出，6根试样的力学性能均达到了标准要求。

表5 力学性能检测结果

对图6工艺处理的试样进行显微组织检测，其组织如图7所示，从显微组织可以看出，T(Al12CuMn2)相弥散分布在α(Al)固溶体上，晶界残留有少量的CuAl2相和其他析出相，其数量和质量较图4组织明显减少(小)。由于晶界残留物的减少，晶粒与晶粒之间的结合更为紧密，试样的综合力学性能得到提高。

图7 优化工艺后的T5 处理组织

5 其他情况

力学性能试样采用T5处理合格后，将产品和剩余试样一同进行热处理，热处理完成后将其中1件产品进行解剖取样，其力学性能达到了GB/T 25745—2010《铸造铝合金热处理》解剖试样的要求。

在后续的生产过程中，将固溶状态相同的同批力学性能试样，采用不同的时效工艺来验证上述试验的结论。结果发现，在抗拉强度正常的前提下，采用单级时效处理的试样若延伸率较好，分级时效处理的试样延伸率也与之相当；采用单级时效处理的试样若延伸率较差，分级时效处理的试样延伸率常有较大提高。笔者推测，出现这种情况可能和铸件的原始状态有关。若铸件的化学成分和组织均匀性较好，则单级时效和分级时效处理后的显微组织基本一致；若铸件的化学成分和组织均匀性较差，则分级时效较单级时效处理后的显微组织更好。

6 结语

通过上述研究可以得出如下结论。

1)ZL205A合金采用543 ℃×10 h固溶+(100 ℃×3 h+150 ℃×7 h)时效较538 ℃×10 h固溶+155 ℃×8 h时效处理的显微组织更好。

2)在ZL205A合金铸态组织正常且化学成分均匀性较差的情况下，采用分级时效工艺，能够提高其T5状态的延伸率。

[1] 阎士标,肖年,刘建功. ZL205A箱体热处理工艺探索[J].金属加工/热处理, 2010(11)：40-44.

[2] 龚磊清，金长庚,刘发信,等.铸造铝合金金相图谱[M]. 长沙：中南工业大学出版社,1987.

[3] 张宝昌.有色金属及其热处理[M]. 西安：西北工业大学出版社,1992.