Al-5Ti-B及RE对挤压铸造7075铝合金传动空心轴组织和性能的影响

何武强，陈振华，范才河，王灿让，陈 鼎

(湖南大学材料学院，湖南长沙，410082)

Al-5Ti-B及RE对挤压铸造7075铝合金传动空心轴组织和性能的影响

何武强，陈振华，范才河，王灿让，陈 鼎

(湖南大学材料学院，湖南长沙，410082)

本文采用挤压铸造的方法制备了7075铝合金传动空心轴，研究了Al－5Ti－B及RE对挤压铸造7075铝合金铸件微观组织和力学性能的影响.结果表明：未加入细化剂的合金晶粒大小约为50μm，拉伸强度为454 MPa;加入0.29%RE的合金和1%A1－5Ti－B的合金，晶粒尺寸分别了减小到26μm和25μm，拉伸强度分别提高了16.3%和22.2%;同时加入0.29%RE和1%A1－5Ti－B对合金组织细化最为明显，晶粒尺寸减小到18μm，拉伸强度提高了26.6%，达到575MPa，延伸率为8.16%，布氏硬度为184.

7075铝合金;挤压铸造;传动空心轴;Al－5Ti－B;RE

随着我国铁路的不断提速，机车簧下质量对轮轨动作用力影响也越来越明显，降低簧下质量是高速机车车辆设计时必须解决的一项技术难题［1］.采用密度较小的铝合金件来替代机车上的钢(铁)件是降低车身自重的一种有效办法，尤其是用铝合金替代钢来制备机车传动轴，可明显降低机车簧下质量，改善轮轨间作用力，提高机车的动力学性能及安全性能［2－4］.因此，研究铝合金传动空心轴具有重要的工程应用价值.

7075铝系合金属于超高强度铝合金，具有较高的比强度、比刚度和良好的综合性能，在航空航天、交通运输等领域已得到广泛应用.其中，最具代表性的为7075铝合金，其抗拉强度最高可达800Mpa以上［5］.本研究以开发机车用轻量化传动空心轴为目的，采用挤压铸造技术压制了7075铝合金传动空心轴5∶1缩比件，通过加入晶粒细化剂来改善7075铝合金组织，经力学性能测试、扫描电镜(SEM)观察和金相检测等，全面的分析与探讨了Al－5Ti－B和RE对挤压铸造7075铝合金传动轴空心轴微观组织和力学性能的影响，为机车传动空心轴的研制提供参考.

1 实验方法

1.1 合金的熔炼

选取工业Al块、Zn块、Mg块、Cu，Al－5Ti－ B、混合轻稀土(Al－10%RE)为原材料，其中稀土和Al－5Ti－B以中间合金方式加入，合金化学成分如表1所示.合金的熔炼温度为750℃，待合金完全熔融后，搅拌均匀，用六氯乙烷除气、除渣.最后加少量的覆盖剂，在730℃保温静置5分钟，待熔液冷却到700℃后进行浇注.

表1 7075铝合金的化学成分(wt%)

1.2 试验工艺方案

本实验采用挤压铸造方法制备了7075铝合金传动空心轴5∶1缩比件，试验所用模具示意图如图1所示.模具预热温度为250℃，在315T立式液压机上挤压，压制压力为 160 MPa.在HBRVU－1875型号上测布氏硬度值.实验试样经抛光腐蚀后(腐蚀剂:2mlHF+3mlHCL+5mlHNO3+ 250mlH2O)，在MN6型卧式金相显微镜上观察金相组织.从传动轴轴身沿轴向方向切取长70 mm左右试样制备成拉伸试样，拉伸试样经475℃/12小时固溶和120℃/22小时时效处理，在WDWE200微机控制电子万能拉伸机上测试抗拉强度和伸长率，拉伸速率为0.5 mm/min，同一条件下测试三根取其平均值.在配有能谱分析系统的FEI QUANTA－200型扫描电子显微镜上观察合金拉伸断口形貌并进行分析.

图1 实验用模具示意图

2 试验结果

2.1 微观组织

图2给出了挤压铸造合金A、B、C、D的显微组织，由图2可见，在未加入晶粒细化剂的情况下，7075铝合金铸件中的初生α－Al主要呈现为发达的树枝晶形态(见图2A)，平均晶粒尺寸约50μm;加入0.29%RE的合金B时，合金铸件组织以颗粒状初生α－Al晶粒为主，出现少量的蔷薇状组织(见图2B)，晶粒尺寸约为26μm;加入1%A1－5Ti－B的合金C时(见图2C)，合金铸件组织得到了较好的细化作用，晶粒变得更为细小、均匀，组织主要为颗粒状的初生α－Al，同时还有少量细小的蔷薇状组织，平均晶粒尺寸约为25μm;当同时加入0.29%RE和1%A1－5Ti－B时(见图2D)，合金铸件组织细化效果最为明显，组织中初生α－Al为颗粒状，平均晶粒尺寸约为18μm.

图2 合金A、B、C、D微观组织

B、C、D三种合金铸件的金相扫描图片及能普分析如图3所示，图中显示了合金晶粒中的第二相，EDS分析显示在合金晶粒中，第二相为La、Ce、Ti富集区，其化合物的化学方程式可以表示为Al3(Lax，Cey，Ti(1－x－y))，合金凝固时初生α－Al以第二相为晶核结晶，图3b能普表明:在熔体中Al3La、Al3Ce首先形成，作为异质晶核，然后初生α－Al以Al3La、Al3Ce为晶核结晶来提高形核速率，达到晶粒细化的效果.合金C中初生α－Al以Al3Ti为核心结晶(如图3c所示)，来达到细化晶粒的效果.同时加入A1－5Ti－B和RE的合金D能普显示(如图3d所示):存在Al3Ti、Al3La，Al3Ce三种异质晶核，它们可以单独作为异质晶核，也可以两种或三种同时作为初生α－Al异质晶核，使合金铸件晶粒细化.

图3 合金B、C、D的SEM微观组织及能普分析

2.2 力学性能

合金铸件的力学性能如表2所示，加入0.29%RE合金B和1%Al－5Ti－B的合金C的抗拉强度和延伸率相对于合金A都有较大的提高，表明RE和Al－5Ti－B在改善7075铝合金铸件组织方面有明显的效果，合金的力学性能也得到较大的提高.同时加入1%Al－5Ti－B和0.29%RE的合金D的抗拉强度和延伸率进一步提高，抗拉强度达到575MPa，延伸率为8.16%.同时，合金B、C、D的硬度也相应的提高.晶粒细化剂细化了合金铸件的组织，显著的提高了合金的抗拉强度和延伸率，7075铝合金传动空心轴的力学性能得到很大的提高.

表2 合金铸件的力学性能

2.3 断口扫描

图4为7075铝合金室温拉伸断口形貌，合金A室温拉伸微观断口为沿晶断口(图4A)，材料为脆性断裂.添加0.29%RE的合金B(图4B)为沿晶和撕裂型混合断口，材料为韧性断裂，这是由于RE使合金组织得到细化，所以合金在其强度和延展性方面有较大的提高.图4C为加入1%Al－5Ti－B的合金C的拉伸断口形貌，其微观断口为撕裂型断口，材料为韧性断裂，材料的强度和韧性有较大的提高.图4D为同时加入1%Al－5Ti－B和0.29%RE的合金D的微观断口形貌，断口为韧窝和撕裂型混合断口.

图4 合金A、B、C、D室温拉伸断口形貌

3 分析与讨论

Al－5Ti－B细化剂对铝合金晶粒具有强烈细化作用，Al－5Ti－B的加入产生了大量的有效异质形核核心Al3Ti，B的作用是生成硼化物，硼化物促进了Al3Ti的生成和数量上的增加，即B会使包晶点左移，降低Al3Ti的溶解度，同时硼化物使Al3Ti生核加快，发生反应为［6］:

TiB2+L1(液)→Al3Ti+L2，

从Al－Ti二元相图［7］可知，当Ti的含量超过0.15%时，合金将在665℃?时发生包晶反应［6］:

此时的温度比铝的熔点高.因此包晶反应产生的TiAl3表面的Al包层不易长大，起到了细化晶粒的作用.包晶反应理论强调由于固化而形核的重要性，认为存在的Al3Ti颗粒通过包晶反应使a－Al成核，而B促进了Al3Ti的形核［8－11］.

稀土能降低晶核表面能，增大结晶凝固时的形核率.铝与稀土形成的化合物在金属液中可作为晶核提高形核率.而它们的微小的质点则成为铝结晶过程的异质晶核.稀土与铝合金形成弥散分布的高熔点的稀土化合物，它与基体之间结合牢固消除了分布在晶界的微量杂质的有害作用，稀土与杂质形成化合物在晶界析出改变了原来的固溶存在方式使夹杂物量降低.弥散于基体中稀土与金属元素生成高溶点的金属间化合物即消除粗大块状组织又稳定晶界这些都起到了提高材料强度的作用.另外，稀土元素具有很高的化学活性，稀土元素极易与气体(如氧)非金属(如硫)生成相应稳定的化合物，这些稀土化合物熔点高、比重轻上浮成渣.特别是稀土有较强的去氢作用，添加稀土的铝合金氢的含量明显降低，这主要是由于稀土与氢有较大的亲合力，能大量吸附和溶解氢，稀土与氢的化合物熔点较高，并且弥散分布于铝液中，这部分以化合物形成的氢不会聚集形成气泡，故可降低铝的含氢量和针孔率.［12］.

RE可以有效抑制细化衰退现象，其原因是加入适量的稀土元素La、Ce等能降低铝熔体表面张力，增加铝熔体对TiB2颗粒表面的扩张系数，既能充分发挥TiB2的异质形核作用，又能防止TiB2的聚集长大.A1－5Ti－B和RE中间合金的同时加入使它拥有RE和A1－5Ti－B二者的优点，不仅使铝合金熔体得到了良好的除杂效果，并且使它们对晶粒的强烈细化作用得以充分发挥，二者以适宜比例相匹配，可显示出最佳的细化效果［13－15］.

4 结论

(1)A1－5Ti－B及RE都有细化7075铝合金晶粒的效果，均能改善合金组织，提高合金的力学性能.

(2)同时加入A1－5Ti－B和RE，其综合了A1－5Ti－B和RE两者的优点，强烈的细化了7075铝合金组织，大大提高合金的力学性能.

(3)7075铝合金传动空心轴经T6热处理后，拉伸强度达到575MPa，延伸率为8.16%，布氏硬度为184.

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Effect of Al-5Ti-B and RE on structure and properties of squeeze casting 7075 aluminium alloy hollow axle of transmission shaft

HE Wu-Qiang，CHEN Zhen-Hua，FAN Cai-He，WANG Can-Rang，CHEN Ding
(College of Materials Science and Engineering，Hunan University，Changsha 410082，China)

The scaled pieces of 7075 Aluminum alloy hollow axle of transmission shaft was prepared by squeeze casting process.Study on effect of Al－5Ti－B and RE on microstructure and mechanical properties of 7075 Aluminum alloy.The results show that the grain size of alloy without refinement is about 50μm，Tensile strength is 454MPa;The grain size of the alloy with 0.29%RE and 1%Al－5Ti－B reduces to 26μm and 25μm.Tensile strength increases by 16.3%and 22.2%;Ddding 1%Al－5Ti－B and 0.29%RE in the alloy at the same time can reform microstructure mostly.The grain size of alloy reduces to 18μm，The tensile strength increases by 26.6%and comes to 575MPa，Elongation percentage is 8.16%and brinell hardness is 184.

7075 Aluminum alloy;squeeze casting;hollow axle of transmission shaft;Al－5Ti－B;RE

TG174.2 文献标志码：A 文章编号：1005－0299(2011)04－0145－04

2010－06－27.

国家自然科学基金项目资助(50974058).

何武强(1985－)，男，研究生，博士生导师;

陈振华(1945－)，男，教授，博士生导师.

(编辑 张积宾)