【正文】 ...........................................................................................................4 ZL205A 鑄造鋁合金的熱處理工藝 .................................................................................................................8四、實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析 ................................................................................16 金屬型試樣實(shí)驗(yàn)結(jié)果 ......................................................................................................................................16 砂型試樣實(shí)驗(yàn)結(jié)果 ..........................................................................................................................................18五、實(shí)驗(yàn)結(jié)論 ............................................................................................20 實(shí)驗(yàn)結(jié)論 ..........................................................................................................................................................20 ZL205A 鋁合金的熱處理效果 .......................................................................................................................21 ZL205A 鋁合金的發(fā)展現(xiàn)狀 ...........................................................................................................................21參考文獻(xiàn) ....................................................................................................22西南大學(xué)本科畢業(yè)論文2一、概 述隨著人類物質(zhì)文明發(fā)展和社會(huì)進(jìn)步，材料成為科學(xué)技術(shù)發(fā)展的基礎(chǔ)，其發(fā)展推動(dòng)科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，如今生活中處處離不開材料，各種高性能的材料越來(lái)越多的出現(xiàn)在我們的身邊，為我們帶來(lái)了各種各樣的便利，沒(méi)有符合各種要求的金屬材料，近代文明的出現(xiàn)和發(fā)展根本是不可能的。每種材料都有著不同的工藝性能和使用性能，如金屬的塑造性能、切割性能、焊接性能、力學(xué)、化學(xué)、物理性能等等，在不同的環(huán)境下或者使用條件的不同，都能使金屬的性能表現(xiàn)出差異性。隨著社會(huì)對(duì)材料的越來(lái)越重視，特別是性能優(yōu)越的材料，慢慢體現(xiàn)出其優(yōu)勢(shì)。對(duì)我國(guó)的工業(yè)有著很深的影響。著重學(xué)習(xí)熱處理的工藝過(guò)程和特點(diǎn)。在試樣的制備，顯微組織的觀察，力學(xué)性能的測(cè)試結(jié)果，表現(xiàn)出了工藝對(duì)合金的帶來(lái)的影響和性能改善。ZL205A 合金具有的優(yōu)良的性能使其具有很好的發(fā)展前景，了解其在航空等領(lǐng)域內(nèi)的發(fā)展?fàn)顩r和使用。ZL205A 鑄造鋁合金的熱處理和組織3二、ZL205A 的簡(jiǎn)介 ZL205A 的發(fā)展背景伴隨著世界各國(guó)的航空發(fā)展，以及世界各國(guó)對(duì)能源需求的日益擴(kuò)大，高性能的材料對(duì)于各國(guó)來(lái)說(shuō)已經(jīng)變得越來(lái)越重要，高硬度，高強(qiáng)度，質(zhì)量輕等性能變得越來(lái)越受重視。其中常用的材料有：鋰、鋁、鎂和鈦合金等。20 世紀(jì) 60 至 70 年代，為了能得到力學(xué)性能優(yōu)良的合金鍛件，同時(shí)具有較好的抗應(yīng)力腐蝕性能的合金，北京航空材料研究院成功研制出了 ZL205A 高強(qiáng)鑄造鋁合金。該合金具有三種使用狀態(tài) [1]：T5 狀態(tài)，T6 狀態(tài)，T7 狀態(tài)。T6狀態(tài)下強(qiáng)度最高。該合金的鑄造工藝性能較差，使用的鑄造方式受到了很大限制，所以實(shí)驗(yàn)中主要使用的還是砂型鑄造。通過(guò)熱處理，該合金的性能能夠得到很大的提升，包括物理性能和力學(xué)性能，其使用范圍也得到大大的擴(kuò)大。其主要應(yīng)用于航空，汽車，飛機(jī)等方面，具有很高的經(jīng)濟(jì)價(jià)值 [2]。Cu 是合金中的基本強(qiáng)化元素，對(duì)合金影響非常大，其在 Al 中能很快擴(kuò)散。而 Mn 在合金中與 Al 和 Cu 形成 Al 2Mn2Cu 相，阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)和彌散質(zhì)點(diǎn)析出并且提高合金的強(qiáng)度。而 Fe, Si, Mg 雜質(zhì)元素的含量要控制在一定的范圍內(nèi)，因?yàn)樵撾s質(zhì)能降低合金的強(qiáng)度和伸長(zhǎng)率，Si 和 Mg 能形成三元共晶相，降低合金力學(xué)性能?？煞譃椋荷靶丸T造和特種鑄造。本實(shí)驗(yàn)中 ZL205A 使用的是砂型鑄造和金屬型鑄造。砂型鑄造的生產(chǎn)過(guò)程包括技術(shù)準(zhǔn)備、生產(chǎn)準(zhǔn)備和工藝過(guò)程 3 個(gè)過(guò)程技術(shù)準(zhǔn)備1）澆注位置和分型面的選擇。2）確定主要工藝參數(shù)。本實(shí)驗(yàn)的澆注系統(tǒng)設(shè)計(jì)如圖 [4]： 如圖所示，本實(shí)驗(yàn)中的澆注體統(tǒng)主要包括了澆注口，豎直的澆道，橫澆道和型ZL205A合金的化學(xué)成分 (%)元素 Cu Mn Zr B V Ti Cd Fe Si Mg含量~5.3~0.5~~~~~ ZL205A 鑄造鋁合金的熱處理和組織5腔。橫澆道如圖，應(yīng)該呈緩慢上升，其與型腔的連接處應(yīng)當(dāng)呈開放式的接口。生產(chǎn)中所使用的沙按型砂所用的粘結(jié)劑及其建立強(qiáng)度的方式不同分為粘土濕砂型、粘土干砂型和化學(xué)硬化砂型 3 種。另外實(shí)驗(yàn)還需準(zhǔn)備砂箱，坩堝，手套。 制造砂型的過(guò)程為造型,本實(shí)驗(yàn)中分上箱和下箱，先將下箱，梯形砂型和底板組合好后，用沙進(jìn)行填滿，填的過(guò)程中用木棍進(jìn)行壓實(shí)，填好后再將上箱放在下箱上，再進(jìn)行填沙，直到填好。 制造砂芯的過(guò)程叫做制芯。本實(shí)驗(yàn)中采用的是手工造型，即手工完成向砂箱填砂和緊實(shí)型砂、起模及合箱等基本操作。 2）合箱 合箱是把砂型和砂芯按要求組合在一起成 為完整鑄型的過(guò)程，是砂型鑄造中非常重要的 環(huán)節(jié)。確保合箱的過(guò)程中砂型不 會(huì)出現(xiàn)破損。 4）澆注 澆注是向鑄型中充填液態(tài)金屬的過(guò)程。 5）落砂 鑄件在砂型中冷卻到一定溫度后清除砂型和芯砂的工藝過(guò)程成為落砂。金屬型鑄造金屬型鑄造是指利用金屬材料制成鑄型或型芯，在重力條件下將熔融金屬澆入鑄型中制造鑄件的一種鑄造方法。故金屬型鑄造又叫永久型鑄造。但其缺點(diǎn)是不透氣而且無(wú)退讓性，鑄件容易開裂，受鑄型限制，制造成本高，采用金屬型的合金的熔點(diǎn)不宜太高，鑄件的制作有一定的局限性。這些過(guò)程互相銜接，不可間斷。金屬熱處理的加熱方法很多，有氣體介質(zhì)加熱，液體介質(zhì)加熱等等。 金屬加熱時(shí)，如果暴露在空氣中，會(huì)和空氣中的強(qiáng)氧化氣體發(fā)生化學(xué)反應(yīng)等等，在金屬表面產(chǎn)生氧化膜。加熱溫度是熱處理工藝的重要工藝參數(shù)之一，加熱溫度的選擇，是熱處理過(guò)程中最重要的步驟之一。但一般都是加熱到某特性轉(zhuǎn)變溫度以上，以獲得高溫組織。應(yīng)該注意的是保溫的過(guò)程中必須要控制溫度的穩(wěn)定性，防止其跳溫后使得材料過(guò)燒。不同的熱處理工藝，其冷卻的速度要求是不一樣的，而在不同的冷卻介質(zhì)下，冷卻的速度也是不同的。 熱處理的特點(diǎn)：金屬熱處理作為一種重要的加工工藝，其最主要的特點(diǎn)就是，通過(guò)加熱，保溫，冷卻的這幾個(gè)步驟，改變材料的內(nèi)部的組織結(jié)構(gòu)，從而改變的材料的性能。此外，對(duì)于不同的材料的加工要求，都可以通過(guò)對(duì)熱處理進(jìn)行控制而達(dá)到要求，如加熱溫度，冷卻的速度，保溫的時(shí)間等等。常見的熱處理方法：熱處理在實(shí)際生產(chǎn)的過(guò)程中有很多中處理方法，包括正火，退火，固溶熱處理，時(shí)效，固溶處理，時(shí)效處理，淬火，回火，鋼的碳氮共滲，調(diào)質(zhì)處理等等，每種方式都有不同的處理方法，其處理后的得到的材料在性能上表現(xiàn)也是不同的。而退火是將材料加熱到 AC3 上 2040 以上的溫度，在爐中緩慢冷卻。而淬火和回火作為兩種熱處理方式，但兩者經(jīng)常一起使用，如習(xí)慣上將淬火和高溫回火結(jié)合起來(lái)進(jìn)行使用，這種方式叫做調(diào)質(zhì)處理。對(duì)于 ZL205A 鋁合金來(lái)說(shuō)，其性能上有很大的優(yōu)良表現(xiàn)，但在其生產(chǎn)的過(guò)程中，如鑄造應(yīng)力等因素導(dǎo)致合金產(chǎn)生了許多的缺陷。固溶：本實(shí)驗(yàn)中固溶工藝過(guò)程如圖： 15 小時(shí)溫度：533℃（冷卻介質(zhì)：水） 固溶是將合金加熱至高溫單相區(qū)恒溫保持，使過(guò)剩相充分溶解到固溶體中，然后快速冷卻，以得到過(guò)飽和固溶體的熱處理工藝，其主要目地是為了溶解基體內(nèi)碳化物、γ相等以得到均勻的過(guò)飽和固溶體，便于時(shí)效時(shí)晶粒的細(xì)化，同時(shí)消除合金內(nèi)部產(chǎn)生的應(yīng)力，使合金發(fā)生再結(jié)晶。合金經(jīng)過(guò)固溶處理后，強(qiáng)度和塑性的改變是不同的。對(duì)于鑄造鋁合金而言，固溶處理后其強(qiáng)度和塑性均得到提高，這是由于鑄造鋁合金中的過(guò)剩相一般較粗，質(zhì)點(diǎn)距離較大，因而對(duì)位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)不產(chǎn)生很大的阻力，當(dāng)它們?nèi)苋牖w后，強(qiáng)度提高。組織顯微觀察西南大學(xué)本科畢業(yè)論文10ZL205A 鋁合金的固溶熱處理主要為時(shí)效熱處理作準(zhǔn)備和獲得高濃度的過(guò)飽和固溶體。此過(guò)程在可控的氣氛中進(jìn)行，以獲得高溫組織。保溫的時(shí)間必須有足夠長(zhǎng)，因此當(dāng)金屬工件表面達(dá)到要求的加熱溫度時(shí)，還須在此溫度保持一定時(shí)間，使內(nèi)外溫度一致，以便使溶質(zhì)原子能最大限度地固溶到固溶體中， 使顯微組織轉(zhuǎn)變完全。接著將熱處理后的樣品打磨，拋光后，進(jìn)行組織觀察。2）粗大晶粒：在熱處理方面，退火或淬火溫度過(guò)高，保溫時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，特別是在緩慢加熱的過(guò)程中，很容易造成粗晶。錳含量對(duì)再結(jié)晶溫度有很大的影響，因?yàn)殄i擴(kuò)散慢，鑄錠中往往就存在嚴(yán)重的晶內(nèi)偏析。導(dǎo)致了退火過(guò)程中形成的再結(jié)晶晶核數(shù)目少，其晶粒尺寸必然會(huì)大。②提高加熱速度。①晶界展寬：其形態(tài)因復(fù)熔相的特性和晶界本身的形狀而異，常見的有沿晶界拉長(zhǎng)的棱形和弧形等。如圖 1③三叉晶界：多數(shù)呈角度不等的三角形，極少數(shù)呈近似圓形。如圖 2.④高熔點(diǎn)相界附近的低熔點(diǎn)相熔化后呈不同形狀的展寬。鋁合金一旦過(guò)燒，零件全部都會(huì)報(bào)廢，但當(dāng)過(guò)燒又很輕微時(shí)，可根據(jù)具體情況處理。4）鑄件開裂：鑄件出現(xiàn)裂紋，肉眼可見或熒光、X 光檢驗(yàn)可見。時(shí)效：合金經(jīng)固溶熱處理或冷塑性形變后，在室溫放置或稍高于室溫保溫時(shí)，其性能隨時(shí)間而變化的現(xiàn)象，這過(guò)程叫做時(shí)效。其實(shí)質(zhì)是從過(guò)飽和固溶體中析出許多非常細(xì)小的沉淀物顆粒，形成一些體積很小的溶質(zhì)原子富集區(qū)。2）自然時(shí)效：指將材料加熱到一定的溫度后，在自然的條件下讓其緩慢反生時(shí)效。進(jìn)行人工時(shí)效處理，為了得到比較理想的強(qiáng)化效果，嚴(yán)格控制加熱溫度和保溫時(shí)間非常必要。合金在加熱的過(guò)程會(huì)形成空位，冷卻的時(shí)候，其速度過(guò)快，會(huì)導(dǎo)致空位的滯留，而空位會(huì)對(duì)過(guò)飽和固溶體產(chǎn)生促進(jìn)的作用，加速了了溶質(zhì)原子加快擴(kuò)散，從而加速了溶質(zhì)原子的偏聚。2）合金化學(xué)成分的影響合金的主要元素和少量雜質(zhì)都會(huì)對(duì)時(shí)效強(qiáng)化產(chǎn)生影響，主要元素的越高，固溶強(qiáng)度越高，時(shí)效強(qiáng)化越好。組成合金的元素能否溶解于固溶體以及固溶度隨溫度變化的程度決定合金能否通過(guò)時(shí)效強(qiáng)化。這會(huì)對(duì)時(shí)效產(chǎn)生很大的影響。固溶如果在冷卻過(guò)程析出第二相，那么在隨后時(shí)效處理時(shí)該相將起晶核作用，從而使得時(shí)效強(qiáng)化效果受到很大的影響。本實(shí)驗(yàn)中 ZL205A 鑄造鋁合金進(jìn)行固溶后，接著進(jìn)行時(shí)效處理，將固溶后的合金放在 175℃和 155℃溫度下放置或保溫，在保溫前需要將合金從固溶設(shè)備轉(zhuǎn)移到時(shí)效的設(shè)備，這之間的時(shí)間間隔盡量要少。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中每個(gè)時(shí)效溫度包括 9 個(gè)小試樣，如圖 [11]時(shí)效 175（155）℃（）時(shí)效 175（155）℃（1）試樣 1試樣 2ZL205A 鑄造鋁合金的熱處理和組織13設(shè)置好時(shí)間段后，每隔一個(gè)時(shí)間段取出一個(gè)小樣，冷卻后打磨拋光進(jìn)行力學(xué)性能測(cè)試，得到試樣在不同時(shí)間下硬度的改變趨勢(shì)。時(shí)效在如右圖的設(shè)備里進(jìn)行保溫。力學(xué)性能的測(cè)量1）對(duì)試樣進(jìn)行打磨，拋光。砂紙平鋪于玻璃或金屬板上，一手按砂紙，一手輕壓試樣于砂紙上并向前推進(jìn)，直至試時(shí)效 175（155）℃1h（2）時(shí)效 175（155）℃2h（4）時(shí)效 175（155）℃4h（6）時(shí)效 175（155）℃6h（8）時(shí)效 175（155）℃8h（10）測(cè)量硬度時(shí)效 175（155）℃20h（20）時(shí)效 175（155）℃24h（24）試樣 3試樣 4試樣 5試樣 6試樣 7試樣 8試樣 9西南大學(xué)本科畢業(yè)論文14樣磨面僅留一個(gè)方向上的均勻磨痕為止。本實(shí)驗(yàn)中采用的是機(jī)械拋光。纖維或者絨毛與磨面間的摩擦，使磨面平滑光亮。拋光時(shí)不斷添灑磨料和潤(rùn)滑液。2）對(duì)表面進(jìn)行腐蝕，腐蝕液為 %HF+%水 [13]注意事項(xiàng)：腐蝕后快速用水沖洗，然后用酒精漂洗和熱風(fēng)吹干；腐蝕不當(dāng)，應(yīng)重新拋光后再進(jìn)行腐蝕（在晶界部位容易形成臺(tái)階）3）吹干后進(jìn)行硬度測(cè)量，硬度測(cè)量分為布氏硬度計(jì)和維氏硬度計(jì)。如右圖：由于金屬材料有軟有硬，工件有厚 有薄，有大有小，這適應(yīng)不同的情況，布 氏硬度壓頭有 、φ5mm 、φ10mm 三 種，加載載荷有