不同浇注温度和挤压压力下直接挤压铸造铝铜合金的力学性能.doc

不同浇注温度和挤压压力下直接挤压铸造铝铜合金的力学性能于宝义，于泳，李润霞，高双 (沈阳工业大学辽宁省高校轻金属重点实验室 沈阳 110870)摘要：ZL205A是一种新开发的、高强韧铝铜合金。T6热处理状态下其抗拉强度达到461MPa，伸长率为18。通过对该合金力学性能及其显微组织的研究表明，经T6热处理铸件的抗拉强度和伸长率均随挤压压力的增大而增大，随着挤压力增加，晶粒明显细化，二次枝晶增加，枝晶间距减小。但抗拉强度和伸长率先随浇注温度的升高而增大，当浇注温度在760时，抗拉强度和伸长率达到最大值，之后随着浇注温度的升高，其抗拉强度和伸长率的大小呈下降趋势。关键词：挤压铸造；枝晶间距；显微组织Microstructure and Properties Of direct Squeeze Cast Al-Cu Alloy with Different pouring temperature and Applied PressureYU Bao-yi，YU Yong ，Li Run-xia，Gao Shuang(Shenyang university of technology light metal key laboratory in Liaoning province , 110870,China.)Abstract：ZL205A is a newly developed high strength and high toughness A1-Cu alloyThe alloy in T6 heat-treated condition is 461MPa in ultimate tensile strength and 14in elongation. Microstructure and mechanical property of the alloy were examined in the T6 heat-treated conditionsResults show that the ultimate tensile strength，elongation increase with the applied pressure. The grain size and the dendrite arm spacing decrease and more dendrites appear with the increase of applied pressureBut, at first the ultimate tensile strength，elongation increase with the pouring temperature, the ultimate tensile strength, elongation reached a maximum at a temperature Of 760, then, the ultimate tensile strength，elongation decrease with the pouring temperature.Keywords：squeeze casting; the dendrite arm spacing; microstructure1 绪论挤压铸造又称液态模锻，是一种介于铸造和锻造之间的成形工艺，兼有铸造和锻造的优点1-2。挤压铸造对浇入铸型型腔内的液态金属施加较高的机械压力，并使其成形和凝固，从而获得铸件。挤压铸造分为两大类3-4：直接挤压铸造(direct squeeze casting)和间接挤压铸造(indirect squeeze casting)。直接挤压工艺类似于金属模锻，压力直接施加于液态金属的整个面上；间接挤压工艺与压铸接近，压力通过浇道间接作用于液念金属上。直接挤压铸造其特点是压力由冲头或凸模直接作用在铸件上，加压效果好，压力损失少，适用于生产壁厚较大、形状简单的铸件，如：活塞、卡钳、主气缸等。随着材料轻量化的发展，铝合金材料应用越来越广泛，尤其是挤压铸造的铝合金，可以获得晶粒细小，成分均匀，致密，少和无缺陷且力学性能较高的铸件，在挤压铸造过程中选择怎样的挤压压力和浇注温度问题也就随之而来。本实验主要研究直接挤压铸造下挤压压力和浇注温度对挤压铸造铝铜合金的力学性能的影响。2、试验方案制定2.1 试验合金 表1 ZL205A合金的化学成分(质量分数/%)主要元素 杂质元素Cu Mn Ti Cd Zr V B Al Fe Si Mg Bal4.5-5.3 0.3-0.5 0.15-0.35 0.15-0.25 0.05-0.2 0.05-0.3 0.005-0.06 Bal 0.15 0.06 0.05 0.3根据ZL205A合金的化学成分表1选择实验用的合金成分为(wt，%)5Cu、0.6Mn、0.25Ti、0.2Cd、0.1Zr、0.2V、0.005B、Mg0.05、Si0.06、Fe0.15，其余为铝5-7。2.2熔炼和浇注实验用合金的熔炼方法为：炉温设在770，待炉温在500时，先加纯铝和铝钛中间合金，接着加入铝锰中间合金，然后加入铝铜中间合金，待熔化后充分搅拌并静置。精炼剂采用六氯乙烷，细化剂采用K2TiF6，为了得到最佳的精炼效果，熔体温度为730时加入0.3%的六氯乙烷进行精炼除气，静置10min。然后用1%K2TiF6进行细化处理，搅拌，静置10min。2.3挤压模具根据挤压铸造的工艺特点，设计了直接挤压铸造模具，其装配图见下图1。2.4实验方法本实验铝铜合金浇注温度分别取715、730、745、760、775。在上述基础上，挤压压力为350MPa，模具温度为210，保压时间为24s左右，挤压后制成试样，之后对试样进行固溶处理（5388h），室温水淬；时效处理（1756 h），室温空冷。然后对其进行力学性能测试，取获得最大力学性能的浇注温度为最终的挤压浇注温度，然后再次进行挤压试验，挤压压力分别取0MPa、310MPa、350MPa、390MPa，然后对试样进行力学性能的分析。2.5拉伸试样的制备及力学性能测试从挤压铸件的侧面加工成标准拉伸试样，拉伸试样的外表面都要进行磨光，实验数据更加准确，形状尺寸如下图2(厚度为2mm)，然后在拉伸试验机上测得其力学性能（抗拉强度和伸长率）。 图1 直接挤压铸造模具图 图2 拉伸试样尺寸图3、实验结果与分析3.1浇注温度对铝铜合金的力学性能的影响3.1.1力学性能图3是浇注温度715、730、745、760、775与抗拉强度和伸长率的关系曲线。（a）浇注温度与抗拉强度 （b） 浇注温度与伸长率 图3 浇注温度与抗拉强度和伸长率关系曲线3.1.2金相组织不同浇注温度下，金相组织如图4所示。3.1.3结果分析浇注温度过低不利于充型，易产生冷隔、浇不足等缺陷；浇注温度过高则易产生飞溅、毛刺及在挤压铸件内形成严重的缩孔、疏松缺陷，降低压铸件的力学性能，并加重对挤压铸型的热冲击。另外，浇铸温度太高，浪费能源，增加模具损耗，并可能使液态金属吸气氧化严重，直接影响铸件质量。适宜的浇注温度对铝合金挤压铸造尤为关键，不仅改善充型能力防止缺陷产生，而且可避免浇注过程的氧化燃烧。由图3浇注温度与抗拉强度和伸长率关系曲线和图4的金相组织图可知，当浇注温度从715升高到760时，铸件的抗拉强度和伸长率均随之增大，浇铸温度为715时，试样外层容易先凝固成硬壳8，在压头挤压熔液时，压力主要由硬壳承担，试样中心部位补缩不足，易形成缩松，且晶粒粗大。之后随着浇注温度的升高，其抗拉强度、伸长率、均增加；当浇注温度升到760时，压力分布均匀，试样中心部位补缩效果好，不易成缩孔缩松，且晶粒变细，抗拉强度和伸长率均达到了最大。随着温度继续增大到775时，由于金属液与模具间热差大，热传输量大，使金属液凝固速度变慢，因而凝固后试件晶粒较粗大，所以其力学性能开始下降。 （a）浇注温度715 （b）浇注温度730 （c）浇注温度745 （d）浇注温度760（e）浇注温度775图4 不同浇注温度下金相组织3.2挤压压力对铝铜合金的力学性能的影响3.2.1力学性能图5是挤压压力分别取0MPa、310MPa、350MPa、390MPa与抗拉强度和伸长率的关系曲线。 （a）挤压压力与抗拉强度 （b） 挤压压力与伸长率 图5 挤压压力与抗拉强度和伸长率关系曲线3.2.2金相组织不同浇注温度下，金相组织如图6所示。 （a）挤压压力0 MPa （b）挤压压力310 MPa （c）挤压压力350 MPa d）挤压压力390 MPa 图6 不同挤压压力下金相组织3.2.3结果分析在挤压铸造过程中，要获得优质铸件，必须正确选择工艺参数。其中压力大小是最为关键的因素。结晶初期，作用在液态金属上的有效压力较高，随着结晶层厚度的不断增加，外力部分地被凝固壳层的变形所平衡，所以液态金属上所受的有效压力不断减小，要使最后凝固的金属也在压力下结晶，对每种铸件均需在大于某一临界压力下加压。液态金属凝固过程中，施加机械压力的有效作用可以归纳为：1)使液态金属在压力下低速充型，不至于将空气卷入。2)增强对铸件的凝固补缩，减少或消除铸件的缩孔和缩松，提高铸件的致密度。3)实现液态金属在压力下的结晶，以细化铸件的晶粒组织，改善第二相分布，提高合金组织的均匀性。4)增加气体在金属中的固溶度，阻止气泡的形成，从而减少或消除铸件中的气泡。上述效果的实现必须在正确的工艺条件下才能达到，对于不同的合金系以及不同形状和大小的铸件均需对这些参数进行优化和严格控制，以充分发挥挤压铸造工艺的优势。由图5挤压压力与抗拉强度和伸长率关系曲线可知，在实验压力范围内，抗拉强度和伸长率随挤压压力的增加而增大。根据A1-Cu-Mg三元相图，合金在结晶过程中首先析出(A1)初晶相，然后有L-(A1)+ (Al2Cu)二元共晶反应及L-(A1)+ (Al2Cu)+S(Al2CuMg)三元共晶反应。另外，由A1-Cu-Mn三元相图，合金在结晶过程中，还有可能析出(A112Mn2 Cu)相及A16Mn相9-10。从图6(a)金相组织可以看出，无挤压力时合金形成粗大的等轴晶，主要由仪溶体组成，晶界分布相和共晶组织，晶内存在少量颗粒状的相。综合观察压力下合金的的显微组织，随压力的增加，晶粒明显细化，而且枝晶间距减小。这是由于随压力增加，模具与铸件之间的热导率增加，传热加快，过冷度增大，因此晶粒逐渐变细，使得抗拉强度和伸长率有较大的增加。4.结论1) ZL205A合金，在浇注温度760，挤压压力390MPa下铸造并经T6热处理后其抗拉强度达461MPa，伸长率达18。2)ZL205A合金其抗拉强度伸长率均随浇注温度的升高而增大，当浇注温度为760时达到最大值，浇注温度继续升高，其抗拉强度和伸长率呈下降趋势。 3) ZL205A合金其抗拉强度伸长率均随挤压力的增加而增大，挤压力为390 MPa时其抗拉强度和伸长率最好，伸长率和抗拉强度曲线趋势基本一致。参考文献 (References)：1 Zehe R U （1999）The Squeeze Play. 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