重力铸造与挤压铸造Al-5.0Cu-0.6Mn-1.0Fe-1.0Ni合金的高温力学性能对比

娄照辉，郑成坤，林 波，范建磊，张卫文

（华南理工大学机械与汽车工程学院，广州 510640）

0 引 言

铁在铝合金中常以针状β-Fe的形式出现，既硬又脆，严重影响合金的力学性能［1］。因此在高强韧铝合金中，往往需要严格控制杂质元素铁的含量，例如ZL208合金（相当于国外RR350合金）要求杂质铁元素的质量分数小于0.5%［2］。又如铸造铝硅铜锰镍系活塞合金中铁元素被作为杂质元素控制［3］。另外，铁原子的升华能（393kJ·mol－1）比铝原子升华能（230.2kJ·mol－1）高，其在α固溶体中的扩散速率很小，能提高铝合金的再结晶温度，当α固溶体分解时形成复杂的耐热相，有利于提高合金的耐热性［4］。废铝中铁含量较高，直接用于熔炼高强韧铝合金不太合适，因此，利用高铁含量废铝开发铸造耐热铝合金是提高废铝合金利用效率的一个有效途径。

铸造耐热铝合金具有导热性好和密度低等优点，广泛应用于航空及军工发动机零件、汽车耐热零部件［5－6］，在铸造耐热铝合金中添加镍、铼、钴、锆等稀贵金属可提高其耐热性能，但也会导致该合金成分复杂，成本高昂，不利于合金的使用。利用高铁含量废铝开发铸造耐热铝合金可降低这类合金的成本。国内外学者对添加铁元素提高铸造铝合金耐热性能方面已展开了大量研究。Asghar［7］等研究了同时加入铁与镍对铸造铝硅合金高温强度的影响。Wang［8］等研究了富铁相对铝硅铜铁镍合金高温力学性能的影响，发现α-Fe相的形成有利于合金耐热性能的提高。武玉英［9］等研究了富铁相形貌对铝硅铁铜镁镍合金高温强度的影响，结果表明针片状富铁相会降低合金高温强度，而块状或骨骼状富铁相可以显著提高合金的高温强度。然而大部分研究主要集中于重力铸造铝硅合金，而对于富铁铸造铝铜合金耐热性的研究还很少，特别是通过特殊铸造工艺改变第二相形貌及分布来提高铸造铝铜合金高温力学性能的研究还未见报道。

挤压铸造是一种较为先进的高效近净成形工艺，它将铸造和锻造工艺的特点融为一体，使液态金属在高压作用下凝固成形，可使粗大相破碎，获得致密均匀的组织［10］。作者以一种成分简单、具有较高铁含量的 Al-5.0Cu-0.6Mn-1.0Fe-1.0Ni合金为研究对象，对比分析了挤压铸造合金与重力铸造合金的高温力学性能，为进一步开发高铁含量的挤压铸造铝铜耐热合金奠定基础。

1 试样制备与试验方法

试验所用原材料为纯度99.8%的铝锭和Al－50Cu、Al-10Mn、Al-10Ni、Al-8.2Fe中间合金。在井式电阻炉中进行合金熔炼，熔体采用C2Cl6商业固体精炼剂精炼，并在除气和除渣后，于710℃左右进行浇注。合金的主要化学成分如表1所示。

表1 合金的主要化学成分（原子分数）Tab.1 Chemical composition of the alloy（mass） %

重力铸造试验用模具的材料为H13钢，采用石墨机油润滑，浇注前模具预热至250℃。挤压铸造试验在1000KN四柱液压机上进行，采用直接挤压铸造，模具与重力铸造相同，挤压力为75MPa，挤压速度为0.01～0.018m·s－1，保压时间30s。两种工艺获得的铸锭尺寸均为φ68mm×65mm，然后对铸锭进行T7热处理。T7热处理工艺为（530±5）℃固溶5h，升温至（540±5）℃固溶7h，90℃水淬，然后在（215±5）℃时效16h，空冷。在铸锭相同半径的位置截取φ5mm的标准拉伸试样，在SANS CMT5105型微机控制万能材料试验机上进行拉伸性能测试，高温拉伸试验参照GB/T 4338－2006，拉伸速度均为1mm·min－1，测量结果为3个试样的平均值。在每个铸锭上表面的相同位置截取金相试样，抛光后采用0.5%HF（质量分数）水溶液腐蚀，在LEICA/DMI 5000M型光学显微镜上进行组织观察。拉伸断口观察和能谱分析在Nova Nano SEM430型扫描电子显微镜及附带能谱仪上进行。

2 试验结果与讨论

2.1 力学性能

从表2可以看出，室温下挤压铸造合金的抗拉强度，屈服强度，伸长率，分别比重力铸造合金提高了12.4%，10.6%和158.8%；200 ℃时，合金抗拉强度、屈服强度、伸长率分别提升了3.8%，10.8%和118.5%。并且合金的抗拉强度、屈服强度都随温度的升高而降低，伸长率随温度升高而增大。相比于重力铸造合金，挤压铸造合金在室温及200℃下的抗拉强度、屈服强度、伸长率都有所提升，其中伸长率提升最为显著。

表2 重力铸造与挤压铸造合金在室温及200℃的力学性能Tab.2 Mechanical properties of alloy prepared by gravity die casting and squeeze casting at room temperature and 200 ℃

2.2 显微组织

从图1中可以看到，铸态合金的显微组织主要由α（Al）基体及分布在基体之间的第二相组成。这些第二相包括花纹状相（图中A所指）、针状富铁相（图中B所指）和呈块状分布相（图中C所指）。表3为A、B、C相的能谱分析结果，结合相关文献可知，A 相 为 Al2Cu，B 相 为 Al7Cu2Fe［11］，C 相 为Al9FeNi［12］。

从图2可以看到，经T7热处理后，重力铸造合金中的第二相主要呈块状和针状，且富铁相的尺寸较为粗大；挤压铸造合金中，针状Al7Cu2Fe相尺寸减小，或呈短杆状分布，块状的Al9FeNi相更为细小弥散，第二相沿晶界形成封闭的网状。比较图1和图2可以看出，经T7热处理后，花纹状的Al2Cu消失，富铁相和富镍相的边缘变得有些圆钝。

图1 两种工艺制备合金的铸态显微组织Fig.1 Microstructure of cast alloy prepared by gravity die casting（a）and squeeze casting（b）

表3 铸态合金中第二相EDS能谱结果（原子分数）Tab.3 EDS results of the second phases in cast alloy（atom） %

2.3 断口形貌

从图3可见，重力铸造合金拉伸断口上都可见大量明显缩松且呈针状的富铁相，但在200℃拉伸断口上出现少量撕裂棱及韧窝，合金显示出一定的韧性断裂特征；挤压铸造合金拉伸断口上出现较多撕裂棱及韧窝，且韧窝尺寸比重力铸造合金的有所减小，拉伸断口中的针状富铁相和孔洞也减少，而块状或粒状的富铁相增多；随着试验温度升高，拉伸断口韧窝数量显著增多，且韧窝变得细小均匀，韧性断裂特征越加明显。

2.4 讨 论

图2 两种工艺制备合金T7热处理态的显微组织Fig.2 Microstructure of T7-treated alloy prepared by gravity die casting（a）and squeeze casting（b）

试验结果说明，相比于重力铸造合金，挤压铸造Al-5.0Cu-0.6Mn-1.0Fe-1.0Ni合金的室温力学性能和高温力学性能都得到了显著的提升。从图3可以清晰地看出，挤压可以明显减少组织中孔洞、缩松等铸造缺陷，大幅提高合金的强度和伸长率；同时，挤压可以显著减少针状Al7Cu2Fe的析出，抑制富铁相的长大，使Al9FeNi相变成细小的块状，从而极大地提升了合金的拉伸性能。Dong等［13］和Maeng等［14］分别研究了挤压铸造 Al-7Si-0.3Mg和B390合金中富铁相对组织和力学性能的影响，结果表明挤压压力可以增大合金凝固过程中的冷却速率，抑制或减少针状富铁相的形成，使富铁相大部分转变成细小的汉字状结构。Kamguo［15］等也研究发现，增大冷却速率可以抑制针状Al7Cu2Fe相的形成。

图3 不同工艺制备合金的拉伸断口形貌Fig.3 Fracture morphology of alloy prepared in different processes：（a）room temperature，gravity die casting（b）room temperature，squeeze casting（c）200℃，gravity die casting（d）200℃，squeeze casting

铝合金的高温力学性能取决于α（Al）基体中第二相的固溶和沉淀强化，以及晶界的第二相强化。然而在高温下，原子热振动振幅增大，原子间结合力下降，导致溶质原子、晶界、相界、位错交互作用等这些室温下的位错阻碍作用大大减轻，位错不仅易于滑移而且容易发生攀移，使得基体的力学性能下降，因此固溶强化和沉淀强化在高温下作用减弱，第二相强化成为铝合金在高温下最有效的强化机制［16－18］。第二相强化作用不仅与第二相的成分有关，而且与第二相的形状、大小及分布有很大的关系［19－20］。形状复杂和热稳定性好的化合物分布于晶界上形成封闭的网状或骨骼状时，合金耐热性能最好。Al7Cu2Fe相［21］和 Al9FeNi相22－23］热稳定性非常好，但当Al7Cu2Fe相呈粗大针状时，严重割裂基体从而降低合金高温力学性能。如果Al7Cu2Fe相和Al9FeNi相沿晶界弥散分布，特别是当其形成封闭的网状时，能阻滞α（Al）固溶体在高温下的塑性变形，从而提高合金的高温力学性能。这种特征在铝硅合金中也得到了反映［9］。可见，挤压铸造工艺不仅能提高合金的室温力学性能，而且能提高合金的高温力学性能。

3 结 论

（1）挤压铸造可以使 Al-5.0Cu-0.6Mn-1.0Fe-1.0Ni合金中的孔洞和针状Al7Cu2Fe相减少，块状Al9FeNi相变得细小弥散，有利于提高合金室温力学性能和高温力学性能。

（2）与重力铸造合金相比，挤压铸造 Al-5.0Cu-0.6Mn-1.0Fe-1.0Ni合金的室温力学性能和高温力学性能都显著提高，其中伸长率提高最为显著；挤压铸造合金在200℃下的抗拉强度、屈服强度及伸长率分别比重力铸造合金的分别提高了3.8%，10.8%和118.5%。

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