不同挤压力下凝固的Al-Si-Cu-T4的组织与性

第19卷第4期中国有色金属学报2009年4月Vol.19No.4TheChineseJournalofNonferrousMetalsApr.2009文章编号：1004-0609(2009)04-0625-08不同挤压力下凝固的Al-Si-Cu-T4的组织与性能张克武，赵海东，欧阳晓贤，张卫文，李元元(华南理工大学机械与汽车工程学院，广州510640)摘要：研究在不同挤压力下凝固的Al-Si-Cu-T4的显微组织和力学性能。结果表明：在挤压力下凝固时，该合金显微组织发生明显变化，其抗拉强度和伸长率均有明显提高。当挤压力为0.1~50MPa时，随着挤压力的增加，初生α(Al)晶粒尺寸和共晶Si粒子长宽比均显著减小，Si相形貌由长针状变成粒状或圆棒状。同时，枝晶间距减小，Al2Cu相量和枝晶间孔洞数量减少，力学性能提高；而当挤压力为50~100MPa时，挤压力的增加对合金显微组织和力学性能影响不大。因此，50MPa为该合金的合适挤压力，在该条件下凝固的合金经T4热处理后，其抗拉强度和伸长率分别为323.6MPa和8.51%。此外，分析讨论了不同挤压力下凝固的合金断口裂纹的形成。关键词：Al-Si-Cu合金；挤压铸造；力学性能；微观组织中图分类号：TG214文献标识码：AMicrostructuresandmechanicalpropertiesofAl-Si-Cu-T4solidifiedatdifferentsqueezepressuresZHANGKe-wu,ZHAOHai-dong,OUYANGXiao-xian,ZHANGWei-wen,LIYuan-yuan(SchoolofMechanicalandAutomotiveEngineering,SouthChinaUniversityofTechnology,Guangzhou510640,China)Abstract:MicrostructuresandmechanicalpropertiesofAl-Si-Cu-T4solidifiedatdifferentsqueezepressureswereinvestigated.Theresultsshowthatatthepressuresappliedduringsolidification,themicrostructuresofthealloychangesignificantly,andbothtensilestrengthandelongationofthealloyareimprovedremarkably.Whenthesqueezepressureincreasesfrom0.1MPato50MP,thesizeofprimaryα(Al)andaspectratioofeutecticSiphasearedecreasedevidentlyandthemorphologyofeutecticSiparticlesischangedfromlongaciculartosmallgranular,andthedendritearmspacing,contentofAl2Cuphaseandporositiesbetweendendritesaredecreased,whilethemechanicalpropertiesareincreased.Whenthesqueezepressureincreasesfrom50MPato100MPa,themicrostructureandmechanicalpropertiesoftheinvestigatedalloyshowlittlevariation.Itisindicatedthatthepropersqueezepressureoftheinvestigatedalloyis50MPaatwhichthetensilestrengthandelongationreachto323.6MPaand8.51%,respectively,aftersolutionheattreatment.Furthermore,thecrackoriginoftheinvestigatedalloyssolidifiedatdifferentsqueezepressureswasanalyzedanddiscussed.Keywords:Al-Si-Cualloy;squeezecasting;mechanicalproperty;microstructure挤压铸造是一种结合铸造和锻造特点于一体的工艺[1−3]，该工艺是将液态金属在高压下充型、结晶和凝固，从而获得所需形状的毛坯或零件，其特点是材料利用率高，铸件内部气孔和缩孔等缺陷显著减少，晶粒细化和组织致密等[4−5]。Al-Si系铸造合金因其Si含量比较高，提高了合基金项目：广东省科技攻关资助项目(2006B12001001)；广州市有色金属铸造行业工程技术研究中心资助项目收稿日期：2008-05-25；修订日期：2008-11-25通讯作者：赵海东，副教授，博士；电话：[phone]；E-mail:[e-mail]中国有色金属学报2009年4月626金的铸造性能，且收缩率和热裂倾向小，同时具有较好的耐腐蚀性和机械加工性能，在国内外得到广泛应用[6−8]。Al-Si-Cu合金(例如A319)在该系合金中具有比强度高、优良的抗腐蚀性能和热膨胀性能等特点，广泛应用于汽车轮毂、活塞和转向节等零部件[9]，国外已有该合金系列的多项专利[10−11]。本文作者通过研究挤压铸造Al-Si-Cu合金T4固溶热处理的显微组织和力学性能，探讨不同挤压力下α(Al)相与Si相形貌、显微孔洞和Al2Cu相的变化，分析其对力学性能的影响。1实验1.1合金熔炼将合金料在石墨坩埚中熔炼，加料前将坩埚烧至暗红。炉温在300~400℃时，同时加入A356和纯铝；炉温升至720℃时加入Al-50%Cu(质量分数)中间合金，730℃时加入Al-5%Ti-1%B，然后搅拌均匀；待炉料全部熔化后，精炼除气，加入除渣剂除渣，5min后扒渣，用钢勺取少量合金液在Leemanlabs金属分析仪上进行化学成分测定，分析结果如表1所列；随后将合金液静置，待温度降至700℃时进行挤压铸造实验。表1实验Al-Si-Cu合金的化学成分Table1ChemicalcompositionsofAl-Si-Cualloy(massfraction,%)SiCuFeTiMgBAl5.924.150.150.210.050.02Bal.1.2试样制备试验采用直接挤压铸造法。模具材料为H13钢，经调质后再进行氮化处理，模具结构如图1所示。将模具预热到200℃左右，采用1000kN压力机进行挤压铸造试验，用PLC调节控制压力。挤压压力分别为重力(0.1MPa)、25、50、75和100MPa，挤压速度为1~3cm/s，保压30s直至合金液完全凝固，从而制得外形为100mm¯80mm¯40mm的铸件毛坯(如图1)。此前研究者主要使用简单圆柱形实验铸件，而本实验零件采用非对称形状，可在一定程度上考察不同部位力学性能的波动，为材料在实际复杂零件上的使用提供参考。挤压铸造后，将所有铸件毛坯在坩埚炉中进行固溶热处理，具体工艺过程为：480℃固溶1h，495℃固溶6h，随后室温水淬。图1挤压铸造模具示意图Fig.1Schematicdiagramofsqueezecastingmold1.3测试分析按照图1所示的取样位置将铸件线切割取出圆柱形试样，然后机械加工成如图2所示的圆棒拉伸试样(GBT228—2002)，在INSTRON8801材料试验机上进行力学性能测试，试验结果为5个以上试验值的平均值。合金的显微组织及拉伸断口观察在Leica金相显微镜、EPMA−1600电子探针分析仪和LEO1530VP扫描电子显微镜上进行。图2拉伸试样尺寸Fig.2Dimensionoftensilespecimen(Unit:mm)2结果与讨论2.1压力对显微组织的影响根据Al-Si-Cu三元相图，Al-6%Si-4%Cu合金在结晶过程中首先析出α(Al)初晶相，然后有L→α(Al)+θ(Al2Cu)和L→α(Al)+Si二元共晶反应及L→α(Al)+Si+θ(Al2Cu)三元共晶反应[12−13]。图3和4所示为不同压力凝固下合金固溶热处理后的显微组织。由图3和4可看出，合金总体包括α(Al)相和二元、三元共晶；合金主要由α相固溶体组成，呈亮白色，晶界分布着Si相和θ相共晶组织，晶内存在少量颗粒状的θ相。从α相晶粒尺寸可以看出，在未施加挤压力下，合金组织形成粗大的等轴晶，且晶界处存在缩孔和气孔等铸造缺陷；随着挤压力的增加，第19卷第4期张克武，等：不同挤压力下凝固的Al-Si-Cu-T4的组织与性能627图4不同压力下凝固的Al-Si-Cu合金高放大倍数的组织Fig.4MicrostructuresofAl-Si-Cualloyssolidifiedatdifferentpressuresathighmagnification:(a)0.1MPa;(b)25MPa;(c)50MPa;(d)100MPa图3不同压力下凝固的Al-Si-Cu合金的显微组织Fig.3MicrostructuresofAl-Si-Cualloyssolidifiedatdifferentpressures:(a)0.1MPa;(b)25MPa;(c)50MPa;(d)75MPa:(e)100MPa中国有色金属学报2009年4月628晶粒明显细化，铸件枝晶间孔洞等缺陷逐渐减少至消失，且枝晶间距显著减小。关于挤压铸造合金凝固组织明显细化的形成原因，CHADWICH和YUE[14]认为，合金在压力下凝固可减小或消除铸件与模具之间的空隙，提高界面传热系数，使得铸件冷却速度加大，最终使组织细化；而FRANKLIN和DAS[15]及CHEN[16]根据Clasius-Clapeyron定律认为，压力使合金共晶温度上移，凝固过冷度增大，形核几率加大，从而使挤压铸造组织细化。在本研究中，当压力为50~100MPa时，根据Clasius-Clapeyron定律，增加压力会使合金的共晶点温度继续上移，但实验结果表明，铸件晶粒尺寸变化不大，组织没有细化，与Franklin的解释存在差异；当压力为0.1~50MPa时，增加压力可使铸件与模具之间空隙减小，界面传热系数增加，铸件组织明显细化；在压力为50MPa时，铸件与模具已紧密接触，即使继续提高压力，该界面传热系数也仅略微增加，铸件组织无进一步的细化。因此，可以认为界面传热系数的增加是本实验合金组织细化的主要原因。图5所示为不同压力下凝固的Al-Si-Cu合金组织的背散射电子像，其中浅灰色粒子为Si相。图6所示为图5(a)中亮白色相的能谱分析结果，可知该相主要组成元素是Al和Cu，结合Al-Si-Cu三元合金相图，可以判断该亮白色相为共晶Al2Cu相。由图5(a)可知，合金在重力下凝固时，Si相大多呈长条状或针状；随着挤压力的增加，Si相逐步呈现粒状或棒状，对基体的割裂作用减小，使合金得到强化(图5(b)和5(c))。比较图5(c)和5(d)可知，压力达到50MPa之后，继续增加压力时，Si相形貌无明显变化。表2所列为不同压力下凝固时合金中Si粒子特征数据，其中长宽比(Aspectratio)为粒子长度值与垂直宽度值之比。从表2可知，随着挤压力的增加，共晶Si粒子长宽比平均值和偏差值明显减小，颗粒圆整度增加，单位面积内Si粒子数目显著增多；但压力达到50MPa之后，继续增加压力，Si粒子长宽比变化不大，数目无明显增加。这说明压力达到50MPa之后，继续增加压力对共晶Si相形貌影响不大。此外，合金在重力下凝固时，其表2不同压力下凝固的Al-Si-Cu合金中Si粒子特征Table2SiparticlecharacteristicsofAl-Si-Cualloys