论文部分内容阅读
摘要：本文作者结合工作经验，从Al-Cu合金的优缺点分析，研究一种有较高抗拉强度，但伸长率比挤压铸造Al-Cu-Mg 合金更高的挤压铸造铝合金，重点分析在不同压力下的合金组织和性能。
关键词：合金；Al-Cu合金；铸造；
中图分类号： TF594 文献标识码： A 文章编号：
0、前言
Al-Cu合金具有结晶温度范围宽,流动性能较差，热裂倾向大等缺点，普通铸造方式很难生产形状复杂的零件，因而限制了其应用范围。挤压铸造结合铸造和锻造的特点为一体， 使液态或半固态金属在高压作用下充型、凝固、成形，可获得晶粒细小、组织致密度高、材料性能高的毛坯或零件，能有效克服铸造Al-Cu合金的上述缺点。一种挤压铸造Al-Cu-Mg-Mn合金，在挤压铸造条件下，合金具有优良的强韧性。 在此基础上，进一步优化成分，开发了一种抗拉强度更优异的挤压铸造Al-Cu-Mg 合金。 该合金在75 MPa压力下，抗拉强度达到510 MPa、伸长率为7.9%。
1、实验材料与方法
合金的主要成分w(%)为：5.0 Cu，0.4 Mn，此外还含有单个元素成分不超过0.15、 总量不超过0.80的Zr、V、RE、Ti和B，余量为铝。 实验用原材料为：纯度99.8%铝 锭 、Al-50%Cu、Al-10%Mn、Al-10%Zr、Al-4%V、Al-5Ti-1B、Al-10RE等中间合金。 合金在石墨坩埚电阻炉中熔炼，铝锰合金、铝锆合金、铝钒合金与纯铝同时室温装炉；720 ℃下加铝铜合金；740 ℃下加铝钛硼合金后搅拌3 min。 用固体精炼剂在730~740 ℃下精炼除气，静置8 min，除渣，加少量覆盖剂，加铝稀土合金，静置5min，搅拌均匀，730 ℃浇注。
挤压铸造实验在100 t四柱液压机上进行， 采用直接挤压铸造， 模具材料为调质H13钢， 用石墨机油润滑，实验前预热至250 ℃，挤压比分别为0、25、50、75、100 MPa，挤压速度为0.03~0.06 m/s，保压30 s左右，铸件直径80 mm，厚30 mm。
根据国标GB5163-1985，采用“阿基米德原理”测量研制合金材料的密度，并与ZL205A合金进行对比。合金拉伸性能按国标GB228《金属拉伸试验方法》测试；硬度按国标GB231《金属布氏硬度试验方法》测试，试验条件：钢球压头直径1.588 mm，载荷980 N，加载时间10 s。金相组织观察在金相显微镜上进行， 断口形貌和组织分析在扫描电子显微镜上进行。
2、实验结果与分析
2.1 铸造性能
不同浇注温度下Al-5.0Cu-0.4Mn和ZL205A合金流动性如表1所示。 可见，在993 K下，两种合金具有几乎相同的流动性；在1 013 K下，前者比后者的流动性提高了9%。 因此，从总体上来讲，Al-5.0Cu-0.4Mn合金的铸造性能略优于ZL205A合金。 这主要是由于Al-5.0Cu-0.4Mn合金调整了微量元素含量， 具有略低于ZL205A合金的熔点， 所以在相同的浇注温度下 ，Al-5.0Cu-0.4Mn合金可以保持液态更长的时间，因而可以流动更长的距离。 这种差别在温度高的时候体现得比较明显，主要是铝合金的流动性和过热度有直接联系，浇注温度越高， 液体的粘度越小， 合金的内摩擦也越小，流动性就越好。
表 1 Al-5.0Cu-0.4Mn 和 ZL205A 合金的流动性
Tab.1 The fluidity of Al-5.0Cu-0.4Mn and ZL205A alloys
2.2 铸态下的密度
图1(a)为Al-5.0Cu-0.4Mn合金铸造状态下的密度随挤压比压的变化情况。可以看出：随着挤压比压的增加，合金的密度逐渐增大，但增幅比较明显的区间是在0~25 MPa。 挤压压力大于25 MPa后，合金密度的增幅不是很明显。这主要是因为在挤压铸造中，合金是在压力下平稳充型凝固的，压力可以大大减少铸造缺陷(缩松、缩孔)，使组织致密化，因而密度也会更高。
2.3 铸态下的硬度
图1(b)为Al-5.0Cu-0.4Mn合金铸态下的硬度随挤压比压的变化情况。 可以看出：随着挤压力的增加，合金的布氏硬度逐渐增大。 挤压力大于50 MPa后，合金的布氏硬度的增幅不是很明显。大量的研究表明，在挤压铸造中，压力会使枝晶破碎，形成更多的结晶核心，
同时压力会使合金在凝固过程中紧贴着模具内壁，增大过冷度；这两者都会增加合金的形核率，从而得到细小晶粒的组织，硬度也得到相应的提高。
图 1 铸态 Al-5.0Cu-0.4Mn 合金的密度和硬度随挤压力的变化
2.4 显微组织和断口形貌
在常压下凝固，合金的α(Al)枝晶，特别是一次枝晶间距比较粗大；但在75 MPa挤压铸造条件下，α(Al)枝晶变得很细。此外第二相也随着挤压力的增加变得细小且分布得更加均匀。 图2显示了合金中α(Al)相的二次枝晶间距随挤压压力的变化。可见，随着挤压压力的增加，合金中α(Al)相的二次枝晶间距减小，特别是与常规大气压下相比，枝晶间距的降低非常明显。
图 2 二次枝晶间距随挤压压力的变化
挤压压力会对合金平衡相图产生影响， 这种影响可以通过Clausius-Clapeyron方程進行描述。 据此方程，合金的凝固点一般是随着合金压力的增加而增加，从而在相同的浇注温度下合金具有更高的过冷度，晶粒得到细化。
Chadwick和Yue认为压力对晶粒细化本身没有任何影响，压力导致合金晶粒细化是因为压力导致合金凝固时凝壳与模壁之间的热交换系数增加以及凝壳和模壁之间的有效接触面积增加，这样使得合金的凝固速度增大，组织细化。从本文的结果来看，当压力为0~50 MPa时，抗拉强度明显增加，超过50 MPa后，由于铸件已经和模具壁紧贴，故再增大压力对强度的提升效果并不大。 而Franklin等人认为压力确实导致了合金凝固过程中出现了更大的过冷度，从而导致合金形核率的增加，最终使得合金晶粒细化。这也与本文表现的结果是一致的，也是认为挤压压力使得晶粒细化的一个重要原因。
挤压压力对合金组织的另一个显著影响是使得合金的显微缩松消除。这主要是因为该合金是以Al-Cu为基的多元铸造铝合金。从Al-Cu二元相图可知，该合金的凝固区间很大，发生糊状凝固的倾向较大。在挤压铸造条件下，挤压压力将促进液体金属的流动，有效地填充枝晶与枝晶间的空隙，从而消除显微缩松等铸造缺陷。这也是挤压铸造条件下，合金密度随挤压比压升高的主要原因。
Al-5.0Cu-0.4Mn合金的主要组元是铝 、铜 、锰 ，根据Al-Cu-Mn三元相图， 在结晶过程中首先析出α(Al)初晶相，然后有L→α(Al)+θ(Al2Cu)二元共晶反应及L→α(Al)+θ(Al2Cu)+T(Al20Cu2Mn3)三元共晶反应。因此，铸态合金的显微组织主要由α相、θ相、T相等组成。 α(Al)相为基体相、枝晶间和晶界分布θ相和T相。 这些铸造过程中析出的第二相都是在二元或多元共晶反应后的产物，它们往往分布在α(Al)枝晶之间。 合金热处理后，这些第二相在高温固溶过程中发生溶解，扩散到α(Al)基体中，在淬火快速冷却条件下形成过饱和固溶体。在随后的人工失效过程中， 过饱和固溶体中的溶质原子重新聚集，发生脱溶沉淀，形成弥散分布的第二相，均匀分布在α(Al)基体中。 因此，在合金的断口上发现有大量的小颗粒分布在韧窝中。 这是合金热处理后力学性能大幅提升的主要原因。
3、结论
（1）在1 013 K浇注温度下，Al-5.0Cu-0.4Mn 合金比ZL205A合金的流动性提高了9%；在993 K浇注温度下，二者具有几乎相同的流动性。
（2）50 MPa挤压压力状态下，Al-5.0Cu-0.4Mn合金的典型性能如下：密度2.80 g/cm³
，抗拉强度441MPa，伸长率21%，硬度45 HRB。
（3）随着挤压压力增加，合金的密度、硬度、抗拉强度和伸长率均增加，但增幅逐渐减小。
参考文献：
［1］ 李元元，郭国文，张卫文，等. 合金元素对Al-Cu合金热裂倾向的影响［J］. 中国有色金属学报，2001，11(5)：791-795.
［2］ 何 志，徐学利 ，李兰云 ，等. Al-Cu-Mg合金相图的计算 ［J］. 铸造技术，2012，33(5)：519-520.
［3］ 林 波，汪先送，程 佩，等. 挤压铸造Al-Cu-Mn和Al-Zn-Mg-Cu合金耐腐蚀性能研究［J］. 铸造技术，2012，33(5)：521-524.
关键词：合金；Al-Cu合金；铸造；
中图分类号： TF594 文献标识码： A 文章编号：
0、前言
Al-Cu合金具有结晶温度范围宽,流动性能较差，热裂倾向大等缺点，普通铸造方式很难生产形状复杂的零件，因而限制了其应用范围。挤压铸造结合铸造和锻造的特点为一体， 使液态或半固态金属在高压作用下充型、凝固、成形，可获得晶粒细小、组织致密度高、材料性能高的毛坯或零件，能有效克服铸造Al-Cu合金的上述缺点。一种挤压铸造Al-Cu-Mg-Mn合金，在挤压铸造条件下，合金具有优良的强韧性。 在此基础上，进一步优化成分，开发了一种抗拉强度更优异的挤压铸造Al-Cu-Mg 合金。 该合金在75 MPa压力下，抗拉强度达到510 MPa、伸长率为7.9%。
1、实验材料与方法
合金的主要成分w(%)为：5.0 Cu，0.4 Mn，此外还含有单个元素成分不超过0.15、 总量不超过0.80的Zr、V、RE、Ti和B，余量为铝。 实验用原材料为：纯度99.8%铝 锭 、Al-50%Cu、Al-10%Mn、Al-10%Zr、Al-4%V、Al-5Ti-1B、Al-10RE等中间合金。 合金在石墨坩埚电阻炉中熔炼，铝锰合金、铝锆合金、铝钒合金与纯铝同时室温装炉；720 ℃下加铝铜合金；740 ℃下加铝钛硼合金后搅拌3 min。 用固体精炼剂在730~740 ℃下精炼除气，静置8 min，除渣，加少量覆盖剂，加铝稀土合金，静置5min，搅拌均匀，730 ℃浇注。
挤压铸造实验在100 t四柱液压机上进行， 采用直接挤压铸造， 模具材料为调质H13钢， 用石墨机油润滑，实验前预热至250 ℃，挤压比分别为0、25、50、75、100 MPa，挤压速度为0.03~0.06 m/s，保压30 s左右，铸件直径80 mm，厚30 mm。
根据国标GB5163-1985，采用“阿基米德原理”测量研制合金材料的密度，并与ZL205A合金进行对比。合金拉伸性能按国标GB228《金属拉伸试验方法》测试；硬度按国标GB231《金属布氏硬度试验方法》测试，试验条件：钢球压头直径1.588 mm，载荷980 N，加载时间10 s。金相组织观察在金相显微镜上进行， 断口形貌和组织分析在扫描电子显微镜上进行。
2、实验结果与分析
2.1 铸造性能
不同浇注温度下Al-5.0Cu-0.4Mn和ZL205A合金流动性如表1所示。 可见，在993 K下，两种合金具有几乎相同的流动性；在1 013 K下，前者比后者的流动性提高了9%。 因此，从总体上来讲，Al-5.0Cu-0.4Mn合金的铸造性能略优于ZL205A合金。 这主要是由于Al-5.0Cu-0.4Mn合金调整了微量元素含量， 具有略低于ZL205A合金的熔点， 所以在相同的浇注温度下 ，Al-5.0Cu-0.4Mn合金可以保持液态更长的时间，因而可以流动更长的距离。 这种差别在温度高的时候体现得比较明显，主要是铝合金的流动性和过热度有直接联系，浇注温度越高， 液体的粘度越小， 合金的内摩擦也越小，流动性就越好。
表 1 Al-5.0Cu-0.4Mn 和 ZL205A 合金的流动性
Tab.1 The fluidity of Al-5.0Cu-0.4Mn and ZL205A alloys
2.2 铸态下的密度
图1(a)为Al-5.0Cu-0.4Mn合金铸造状态下的密度随挤压比压的变化情况。可以看出：随着挤压比压的增加，合金的密度逐渐增大，但增幅比较明显的区间是在0~25 MPa。 挤压压力大于25 MPa后，合金密度的增幅不是很明显。这主要是因为在挤压铸造中，合金是在压力下平稳充型凝固的，压力可以大大减少铸造缺陷(缩松、缩孔)，使组织致密化，因而密度也会更高。
2.3 铸态下的硬度
图1(b)为Al-5.0Cu-0.4Mn合金铸态下的硬度随挤压比压的变化情况。 可以看出：随着挤压力的增加，合金的布氏硬度逐渐增大。 挤压力大于50 MPa后，合金的布氏硬度的增幅不是很明显。大量的研究表明，在挤压铸造中，压力会使枝晶破碎，形成更多的结晶核心，
同时压力会使合金在凝固过程中紧贴着模具内壁，增大过冷度；这两者都会增加合金的形核率，从而得到细小晶粒的组织，硬度也得到相应的提高。
图 1 铸态 Al-5.0Cu-0.4Mn 合金的密度和硬度随挤压力的变化
2.4 显微组织和断口形貌
在常压下凝固，合金的α(Al)枝晶，特别是一次枝晶间距比较粗大；但在75 MPa挤压铸造条件下，α(Al)枝晶变得很细。此外第二相也随着挤压力的增加变得细小且分布得更加均匀。 图2显示了合金中α(Al)相的二次枝晶间距随挤压压力的变化。可见，随着挤压压力的增加，合金中α(Al)相的二次枝晶间距减小，特别是与常规大气压下相比，枝晶间距的降低非常明显。
图 2 二次枝晶间距随挤压压力的变化
挤压压力会对合金平衡相图产生影响， 这种影响可以通过Clausius-Clapeyron方程進行描述。 据此方程，合金的凝固点一般是随着合金压力的增加而增加，从而在相同的浇注温度下合金具有更高的过冷度，晶粒得到细化。
Chadwick和Yue认为压力对晶粒细化本身没有任何影响，压力导致合金晶粒细化是因为压力导致合金凝固时凝壳与模壁之间的热交换系数增加以及凝壳和模壁之间的有效接触面积增加，这样使得合金的凝固速度增大，组织细化。从本文的结果来看，当压力为0~50 MPa时，抗拉强度明显增加，超过50 MPa后，由于铸件已经和模具壁紧贴，故再增大压力对强度的提升效果并不大。 而Franklin等人认为压力确实导致了合金凝固过程中出现了更大的过冷度，从而导致合金形核率的增加，最终使得合金晶粒细化。这也与本文表现的结果是一致的，也是认为挤压压力使得晶粒细化的一个重要原因。
挤压压力对合金组织的另一个显著影响是使得合金的显微缩松消除。这主要是因为该合金是以Al-Cu为基的多元铸造铝合金。从Al-Cu二元相图可知，该合金的凝固区间很大，发生糊状凝固的倾向较大。在挤压铸造条件下，挤压压力将促进液体金属的流动，有效地填充枝晶与枝晶间的空隙，从而消除显微缩松等铸造缺陷。这也是挤压铸造条件下，合金密度随挤压比压升高的主要原因。
Al-5.0Cu-0.4Mn合金的主要组元是铝 、铜 、锰 ，根据Al-Cu-Mn三元相图， 在结晶过程中首先析出α(Al)初晶相，然后有L→α(Al)+θ(Al2Cu)二元共晶反应及L→α(Al)+θ(Al2Cu)+T(Al20Cu2Mn3)三元共晶反应。因此，铸态合金的显微组织主要由α相、θ相、T相等组成。 α(Al)相为基体相、枝晶间和晶界分布θ相和T相。 这些铸造过程中析出的第二相都是在二元或多元共晶反应后的产物，它们往往分布在α(Al)枝晶之间。 合金热处理后，这些第二相在高温固溶过程中发生溶解，扩散到α(Al)基体中，在淬火快速冷却条件下形成过饱和固溶体。在随后的人工失效过程中， 过饱和固溶体中的溶质原子重新聚集，发生脱溶沉淀，形成弥散分布的第二相，均匀分布在α(Al)基体中。 因此，在合金的断口上发现有大量的小颗粒分布在韧窝中。 这是合金热处理后力学性能大幅提升的主要原因。
3、结论
（1）在1 013 K浇注温度下，Al-5.0Cu-0.4Mn 合金比ZL205A合金的流动性提高了9%；在993 K浇注温度下，二者具有几乎相同的流动性。
（2）50 MPa挤压压力状态下，Al-5.0Cu-0.4Mn合金的典型性能如下：密度2.80 g/cm³
，抗拉强度441MPa，伸长率21%，硬度45 HRB。
（3）随着挤压压力增加，合金的密度、硬度、抗拉强度和伸长率均增加，但增幅逐渐减小。
参考文献：
［1］ 李元元，郭国文，张卫文，等. 合金元素对Al-Cu合金热裂倾向的影响［J］. 中国有色金属学报，2001，11(5)：791-795.
［2］ 何 志，徐学利 ，李兰云 ，等. Al-Cu-Mg合金相图的计算 ［J］. 铸造技术，2012，33(5)：519-520.
［3］ 林 波，汪先送，程 佩，等. 挤压铸造Al-Cu-Mn和Al-Zn-Mg-Cu合金耐腐蚀性能研究［J］. 铸造技术，2012，33(5)：521-524.