ZL205A铝合金.docx
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ZL205A铝合金
ZL205A铝合金
ZL205A铸造铝合金的热处理和组织
热处理对ZL205A合金显微组织和性能的影响
摘要:
本文以ZL205A铝合金作为研究对象，对合金进行热处理处理，包括固溶和时效两个阶段，
研究了热处理对合金的显微组织和性能的影响。
在整个实验过程中，掌握了砂型铸造的流程，对热
处理有了进一步的认识，通过热处理能够获得优良的物理性能和更好的组织成份。
利用打磨机。
金
相显微镜对固溶前后的合金组织进行观察可得出:
固溶后的合金其组织化合物大量被熔掉，少于固
溶前，化合物的形状为多边形;通过布氏硬度计进行硬度测试后，分析数据得出:
金属型合金在175?
和155?
温度下时效后，其硬度值都得到上升，分别从74，74.5上升到96.8，94，然后趋于稳定。
砂型合金在175?
时效，硬度值得到提升，从74升到94，然后稳定。
关键词:
ZL205A;铝合金;铸造;热处理;组织
TheInfluenceonPropertiesandMicrostructureofZL205AAluminum
AlloybyTheHeatTreatment
Abstract:
Thispaperwilldosomeresearchingonzl205a.Throughtheheattreatmenttounderstandtheinfluenceonpropertiesandmicrostructure.Duringthewholeexperiment,welearnedtheprocedureofthesandcastingandhadabetterunderstandingoftheheattreatmentandthealloycangetbetterphysicalperformanceandorganizationalcomponentsbyheattreatment.withthegrindingmachineand
metallographicmicroscopeitcanbeshowedthatlargeofcompoundsinalloyaremeltedawaywhichtheshapeofarebranchesbySolutionheattreatment;byanalyzingthedatatestedbythebrinellhardnesstesteritshowsthatthehardnessofthemetalcastingalloyisraisedfrom74to96.8hbat175?
andisraisedfrom74.5to94at155?
thehardnessofthesand
castingalloyisraisedfrom74to94at175?
.thenthehardnesswillbestable.
Keywords:
ZL205A;Aluminumalloy;casting;heattreatment;microstructure
I
摘要:
................................................................................................................................I第一章绪论......................................................................................................................1
1.1研究背景.....................................................................................................................11.2ZL205A简介................................................................................................................2
1.2.1ZL205A的发展背景.........................................................................................2
1.2.2ZL205A合金的化学成分.................................................................................2
1.2.3ZL205A合金的性能...........................................................................................31.3ZL205A铝合金的应用前景.........................................................................................31.4本文的研究目地与内容..............................................................................................4第二章试验过程与方法......................................................................................................52.1试验设备....................................................................................................................52.2铸造ZL205A铝合金...................................................................................................6
2.2.1砂型铸造.........................................................................................................6
2.2.2金属铸造.........................................................................................................92.3ZL205A铝合金的热处理..........................................................................................10
2.3.1热处理...........................................................................................................10
2.3.2ZL205A铝合金的热处理工艺........................................................................112.4力学性能的测量.......................................................................................................16第三章试验结果及分析...................................................................................................183.1金属型试样...............................................................................................................183.2砂型试样..................................................................................................................20第四章试验结论................................................................................................................23参考文献............................................................................................................................24致谢................................................................................................错误～未定义书签。
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ZL205A铸造铝合金的热处理和组织
第一章绪论
1.1研究背景
随着人类物质文明发展和社会进步，材料成为科学技术发展的基础，其发展推动科学技术的发展，如今生活中处处离不开材料，各种高性能的材料越来越多的出现在我们的身边，为我们带来了各种各样的便利，没有符合各种要求的金属材料，近代文明的出现和发展根本是不可能的。
金属材料作为材料的一个重要分支，通常分为黑色金属、有色金属和特种金属材料三类。
每种材料都有着不同的工艺性能和使用性能，如金属的塑造性能、切割性能、焊接性能、力学、化学、物理性能等等，在不同的环境下或者使用条件的不同，都能使金属的性能表现出差异性。
作为一种有色金属，ZL205A铝合金是一种新型的合金材料，有着优良的性能。
随着社会对材料的越来越重视，特别是性能优越的材料，慢慢体现出其优势。
高强度铸造合金是材料领域内有着优良性能的材料分支，与其他金属材料相比，具有强度高，加强对该合金的研究与应用，可以拓展合金的使用范围，满足人类在很多特殊领域，尖端科技满上的要求。
对我国的工业有着很深的影响。
图1-1ZL205A合金
Fig1-1ZL205Aalloy
1
1.2ZL205A简介
1.2.1ZL205A的发展背景
伴随着世界各国的航空发展，以及世界各国对能源需求的日益扩大，高性能的材料对于各国来说已经变得越来越重要，高硬度，高强度，质量轻等性能变得越来越受重视。
特别是在航空、航天产品，减轻飞机、零部件等产品的重量是性能提升的关键因素。
其中常用的材料有:
锂、铝、镁和钛合金等。
由于铝的资源丰富，并且加上高强铝合金的一些优良特点如:
很高的强度、加工性能好及焊接性能良好等特点，其在航空、航天及其民用领域，铝合金都得到了广泛的应用，其中铸造铝合金在航空领域中使用较多，主要作为结构材料使用。
20世纪60至70年代，为了能得到力学性能优良的合金锻件，同时具有较好的抗应力腐蚀性能的合金，北京航空材料研究院成功研制出了ZL205A高强铸造铝合金。
其抗拉强度是最高的，并且具有良好的塑性，高硬度，抗腐蚀性能以及优
[1]良的机械加工性能。
该合金具有三种使用状态:
T5状态，T6状态，T7状态。
T5状态下综合力学性能最好，也具有很高的强度。
T6状态下强度最高。
T7状态下抗应力腐蚀性能最好，强度也很高。
该合金的铸造工艺性能较差，使用的铸造方式受到了很大限制，所以实验中主要使用的还是砂型铸造。
铸造的过程中，该合金容易产生铸造缺陷，如:
空洞，裂纹等等。
通过热处理，该合金的性能能够得到很大的提升，包括物理性能和力学性能，其使用范围也得到大大的扩大。
同国内外相比，该合金处于领先的水平，目前该合金已进入批量生产，其工艺较成熟，具有高强度、高刚度以及优良的综合性能。
其主要应用于航空，
[2]汽车，飞机等方面，具有很高的经济价值。
1.2.2ZL205A合金的化学成分
ZI205A合金的化学成分复杂，Cu和Al为主要成分，Cu含量为4.5~5.3，除此之外，还有Ti,Mn,Cd,Zr,B,V,等元素，还有微量的Fe,Si,Mg和其他的杂质元素。
Cu是合金中的基本强化元素，对合金影响非常大，其在Al中能很快扩散。
并且随着Cu的含量的增加，能够提升合金的强度，但不同含量的Cu在固溶处理中也有不同的影响，其含量越多，越容易出现过烧的现象。
而Mn在合金中与Al和Cu形成AlMnCu相，22阻碍位错运动和弥散质点析出并且提高合金的强度。
Ti,Cd,Zr,B,V等元素能细化晶粒，
ZL205A铸造铝合金的热处理和组织
提高合金的强度和力学性能。
而Fe,Si,Mg杂质元素的含量要控制在一定的范围内，因为该杂质能降低合金的强度和伸长率，Si和Mg能形成三元共晶相，降低合金力学性能。
[3]主要化学成分的含量如下表:
表1ZL205A合金的化学成分（%）
ThecompositionofZL205AalloyCuMnZrBVTiCdFeSiMg4.6~5.50.3~0.50.05~0.20.005~0.020.05~0.30.15~0.350.15~0.25<0.15<0.06<0.05
1.2.3ZL205A合金的性能
物理性能:
ZL205A合金的密度为2.8g/cm3，有着较高的导电率，相比较而言，由于ZL205A合金的成分和结晶温度范围的因素，其流动性较差，而其热裂倾向较大。
力学性能:
ZL205A合金的力学性能很优良，其强度很大，在目前应用的铸造合金中，其强度是最高的，另外，其硬度也很高，其塑性和韧性在不同的温度下有着不同的表现，整体性能较好。
抗腐蚀蚀性能较性能:
该合金的抗腐好，当然，在不同的腐蚀介质下和有无应力的情况下，其表现出不同。
1.3ZL205A铝合金的应用前景
ZL205A铝合金的优良力学性能，化学性能已经使得该合金成为了研究的热点。
其在高科技领域内的应用越来越多，如在大飞机上的应用。
随着飞机的告诉发展，对具有高强度，良好的韧性，轻质量，优良的抗腐蚀性等性能的材料越来越需要。
ZL205A铝合金就是这样的材料，它的高性能使得各国都加大了对其的研究，其中，美国，日本，俄罗
[4]斯，中国等等都进行了大量的研究。
与同类合金比较，其展现出来的力学性能非常优越。
其在飞机上的很多部位都得到了很多的应用，这对于航天领域有很大的意义，ZL205A的优良性能使得生产的周期缩短，节约了加工的时间，降低成本，并且材料的稳定性高，故障少，风险小。
这些都有利于飞机领域的发展。
3
1.4本文的研究目地与内容
由于ZL205A铝合金具有很好的力学性能，因此，通过实验并且对该合金进行观察和测试具有很积极的作用，它能使我们能更充分的，更全面的，更客观的了解和掌握ZL205A铝合金的组织成分，以及经过砂型铸造和热处理工艺处理后的物理力学性能的改变。
着重学习热处理的工艺过程和特点。
在整个实验过程中，全面、正确的掌握砂型铸造和热处理的工艺的设计以及亲手参与所有步骤的操作。
在试样的制备，显微组织的观察，力学性能的测试结果，表现出了工艺对合金的带来的影响和性能改善。
通过实验深入了解铸造和热处理的工艺原理，清楚在生产过程中可能带来的缺陷和不足，当然也知道其优点。
ZL205A合金具有的优良的性能使其具有很好的发展前景，了解其在航空等领域内的发展状况和使用。
了解铸造工艺和热处理工艺的原理和过程，了解其的发展前景。
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第二章试验过程与方法
2.1试验设备
1）铸造熔炉:
在铸造的过程中用该设备对金属进行溶化，溶化温度为700?
图2-1-1熔炉
Fig2-1-1furnace2）电炉:
固溶加热设备
该电炉型号:
SRX2-12-12，产品编号:
0902，额定功率:
12kw，额定电压:
380v，额定温度:
1200?
，炉膛尺寸:
500×300×200，重量:
180kg
图2-1-2电炉
Fig2-1-2hotplate3）电热鼓风干燥箱:
时效设备
其型号:
电源:
220V50Hz尺寸:
500×550×500功率:
2.5KW产品编号:
A0901009
温度范围:
RT+10~300?
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图2-1-3电热鼓风干燥箱
Fig2-1-3dryingoven4）布氏硬度计:
由于金属材料有软有硬，工件有厚有薄，有大有小，这适应不同的情况，布氏硬度压头有φ2.5mm、φ5mm、φ10mm三种，加载载荷有15.6kg、62.5kg、187.5kg、250kg、750kg、1000kg、3000kg七种，采用不同大小的载荷和直径的钢球进行
2布氏硬度试验时，只要满足P/D为常数，则对同一材料来说布氏硬度值不变。
图2-1-4布氏硬度计
Fig2-1-4brinellhardnesstester2.2铸造ZL205A铝合金
铸造是将金属熔炼成符合一定要求的液体并浇进铸型里，经冷却凝固、清整处理后得到一定形状、尺寸和性能的铸件的工艺过程，是制备金属铸件的主要方法之一。
可分为:
砂型铸造和特种铸造。
特种铸造又可以分为:
金属型铸造，熔模铸造，压力铸造，离心铸造，连续铸造。
本实验中ZL205A使用的是砂型铸造和金属型铸造。
2.2.1砂型铸造
砂型铸造是在砂型中生产铸件的铸造方法，砂型铸造所用铸型一般由外砂型和型芯
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组合而成，砂型铸造工艺简单，成本较少，不仅适合对于单一的零件的生产而且满足大量的批量的生产，它是铸造中最主要的生产方式之一。
砂型铸造的生产过程包括技术准备、生产准备和工艺过程3个过程技术准备:
1）浇注位置和分型面的选择。
浇注位置是指浇注时铸件在铸型中的位置，确定浇注位置以保证铸件的质量，同时简化造型和工艺。
2）确定主要工艺参数。
[5]3）浇注系统的设计。
本实验的浇注系统设计如图:
如图所示，本实验中的浇注体统主要包括了浇注口，竖直的浇道，横浇道和型腔。
其中浇注口应当合适，竖直浇道的位置应该尽量在中间。
横浇道如图，应该呈缓慢上升，其与型腔的连接处应当呈开放式的接口。
图2-2-1浇注系统
Fig2-2-1pouringsystem生产准备:
设计模样，制备型砂。
生产中所使用的沙按型砂所用的粘结剂及其建立强度的方式不同分为粘土湿砂型、粘土干砂型和化学硬化砂型3种。
本实验中采用的是粘土湿砂型。
另外实验还需准备砂箱，坩埚，手套。
工艺过程:
如图
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图2-2-2砂型铸造工艺
Fig2-2-2theprocedureofsandcasting
1）造型和制芯:
制造砂型的过程为造型,本实验中分上箱和下箱，先将下箱，梯形砂型和底板组合好后，用沙进行填满，填的过程中用木棍进行压实，填好后再将上箱放在下箱上，再进行填沙，直到填好。
制成的砂型要具有一定的强度，在搬运、合型及浇注液态金属时不致变形或损坏。
制造砂芯的过程叫做制芯。
本实验采用的砂芯如图:
图2-2-3砂芯
造型和制芯都可以分为手工造型和机械造型。
本实验中采用的是手工造型，即手工完成向砂箱填砂和紧实型砂、起模及合箱等基本操作。
手工造型的最大的优点是操作灵活，实验中造型是由几个人一起完成的，由于手工造型对工艺装备要求简单，因此准备的时间并不多，同时上手很快，几乎在很段的时间内，就可以完成造型的工作。
2）合箱:
合箱是把砂型和砂芯按要求组合在一起成为完整铸型的过程，是砂型铸造中非常重要的环节。
本实验采用的沙箱如图，砂箱的四周有很多的小孔，主要用于在上，下箱合箱的时候提升砂子的吸附力。
确保合箱的过程中砂型不会出现破损。
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图2-2-4砂箱
Fig2-2-4sandbox
3）熔铸:
将合金放入熔炉中，升温到700?
，带合金熔成液体后，保温。
4）浇注:
浇注是向铸型中充填液态金属的过程。
为了获得合格的铸件，需要根据
[6]合金的种类、铸件的结构和铸型的特点空竹浇注的温度和浇注的速度。
5）落砂:
铸件在砂型中冷却到一定温度后清除砂型和芯砂的工艺过程成为落砂。
冷却一定时间后，开箱，取出砂型铸件。
2.2.2金属铸造
金属型铸造是指利用金属材料制成铸型或型芯，在重力条件下将熔融金属浇入铸型中制造铸件的一种铸造方法。
由于一套金属型可以重复使用数百次或数千次。
故金属型铸造又叫永久型铸造。
金属型铸造的工艺过程:
如图
图2-2-5金属铸造流程
Fig2-2-5Theprocedureofmetalcasting
金属型铸造的特点及其应用:
金属型铸造可以连续重复使用，生产效率高，劳动条件，铸件质量稳定，尺寸精度高，表面粗糙度较低，铸件晶粒细化，组织致密，机械性能较好。
但其缺点是不透气而
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且无退让性，铸件容易开裂，受铸型限制，制造成本高，采用金属型的合金的熔点不宜太高，铸件的制作有一定的局限性。
2.3ZL205A铝合金的热处理
2.3.1热处理
热处理工艺一般包括加热、保温、冷却三个过程，有时只有加热和冷却两个过程。
这些过程互相衔接，不可间断。
1加热
加热是热处理的重要工序之一。
金属热处理的加热方法很多，有气体介质加热，液体介质加热等等。
不同的环境，不同的要求，其加热的方式是同的，在本实验过程中，由于加热的温度不是特别高，因此采用的加热方式是电炉加热。
金属加热时，如果暴露在空气中，会和空气中的强氧化气体发生化学反应等等，在金属表面产生氧化膜。
对于后续的测量工序带来很大的麻烦，也会造成测量的误差，因此加热的过程中需要在保护气体的环境下进行。
加热温度是热处理工艺的重要工艺参数之一，加热温度的选择，是热处理过程中最重要的步骤之一。
加热温度过高或者过低都将导致材料热处理的效果，不同的要求其热处理的加热温度也是不同的。
但一般都是加热到某特性转变温度以上，以获得高温组织。
2保温
待温度加热到组织开始转变的温度后，需要在次温度下保持一段时间，主要是为了材料内部组织能够完全转变，这一过程叫做保温，保温的时间因材料的不同和目地的不同而不同，如果保温时间不够，对于热处理的效果影响很大。
应该注意的是保温的过程中必须要控制温度的稳定性，防止其跳温后使得材料过烧。
3冷却
冷却也是热处理工艺过程中非常重要的步
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