新型高强高韧Al-Zn铸造铝合金的组织与性能

2019-11-12林顺岩周志军

铝加工 2019年5期

林顺岩，姚勇，周志军

（西南铝业（集团）有限责任公司，重庆401326）

0 前言

高强度铸造铝合金，主要应用于制造承受较大载荷的航空、航天及其它民用机械构件的铸造铝合金。铸造铝合金一般分为Al-Si合金、Al-Cu合金、Al-Mg合金和Al-Zn合金四个系列[1，2]。其中，Al-Cu合金是典型的高强韧铸造铝合金，但必须进行T5或T6热处理，才能获得较高的强度和塑性。铸造铝合金的强韧化主要途径为合金化、纯净化和晶粒细化。合金化仍然是目前获得高强韧铸造铝合金材料的主要途径之一，包括固溶强化和第二相强化等。纯净化就是要降低材料中气体的含量、减少夹杂物、控制杂质元素的含量。合金的晶粒尺寸对力学性能有着极其显著的影响，晶粒尺寸越小，强度越高[3-5]。

铸造铝合金具有制备工艺简单、投资少见效快和成本低廉等优点，广泛应用于交通运输、体育用品、3C通讯和机械设备等领域。生产制造各种鞋类鞋底的模具，大多采用铸造铝合金。7075变形铝合金T6或T651状态厚板生产的鞋模，制造成本高，且高温性能差。目前，铝合金鞋模主要采用Al-Cu铸造铝合金和Al-Zn铸造铝合金。但在铸态时合金的强度和硬度较低，塑性也较差，在180℃左右的温度下使用，合金硬度下降很快，极大地降低了铝合金鞋模的使用寿命，不能满足铝合金鞋模的使用要求。因此，急需研制开发出一种高强高韧且耐高温的高性能、低成本铸造铝合金。由西南铝业（集团）有限责任公司研制生产的新型Al-Zn铸造铝合金，强度高，表面硬度高，塑性韧性好，高温性能好，无需进行任何热处理，生产成本较低，是一种很有应用前景的新型铸造铝合金。

1 试验材料和方法

将称量好的纯Al锭、中间合金装炉，装料顺序为中间合金Al-Ti等和纯Zn锭放在熔炼炉的中层，纯Al锭放在底部和上层，然后开始加热熔化。待炉料化平后用熔剂粉覆盖。熔体升温至720～740℃时，搅拌、扒渣。熔体精炼采用转子高纯氩气精炼除气，在熔体温度为730～750℃时精炼，精炼时间为40min，然后扒去熔体表面浮渣。在熔体温度为720～730℃时加Al-Ti-B块，细化剂加入熔炼炉时必须压入或埋入熔体。然后静置8～10min，准备浇铸。

将已制作好的石膏型鞋模在400℃的温度下烘烤，除去石膏型鞋模中的水分。将石膏型鞋模安放在浇铸平台上，四周用铸铁条块紧固，围成一个鞋模型腔锭模。

浇铸时采用带过滤的锥型漏斗勺配合熔体大舀勺浇注，以降低熔体落差，避免夹渣和熔体紊流。在熔体温度在690～710℃时，直接将铝合金熔体浇铸在锭模内。待锭模熔体充满后，放下喇叭型上盖板，在喇叭型浇注口添加补缩的合金熔体。浇铸完成后在室温冷却，待熔体完全凝固后脱模水冷，脱模时模锭温度在320℃左右。由此获得约长400mm、宽300mm、高250mm的中空铝合金鞋模铸锭。

将水冷至室温的铝合金鞋模铸锭机加工切除浇口部喇叭形铸块，直接在模锭上取力学性能、表面硬度和高倍组织试样，分析检测合金铸态室温力学性能、表面硬度和显微组织。将表面硬度试样在箱式电阻炉分别进行180℃/8h、16h、32h和320℃/30min加热处理后，检测合金的组织和表面硬度。

2 试验结果及分析

2.1 显微组织及能谱分析

铝及其合金在熔炼过程中，铝熔体中存在夹杂物、气体等，影响熔体纯净度，导致铸锭易产生气泡、气孔、夹杂、疏松、裂纹等缺陷，对铸件性能或铸锭后续加工产品的强度、塑性、疲劳、抗蚀性、阳极氧化性和外观品质等均有显著影响。夹杂物的存在会增加铝熔体粘度，降低铝合金的铸造性能，促进疏松的形成等。采用重力浇铸时极易破坏铝液表面的氧化膜，造成铸件氧化夹杂和疏松缺陷，影响产品的综合性能。因此，合金熔炼时应加强熔体精炼除气，尽可能地除去熔体中的夹杂物和氢气；同时，在浇铸时辅以陶瓷过滤板过滤熔体，以获得优质的铸造铝合金铸锭。合金铸锭组织见图1，断口形貌及能谱分析见图2。

图1 合金铸态时的高倍组织

试验结果表明，合金高倍组织为典型的Al-Zn合金铸态组织，合金晶粒较为细小，分布均匀。在合金晶界处存在有少量的共晶组织和呈不规则的块状化合物。共晶组织和粗大的化合物在晶界分布的越多，合金铸态的塑性就越差。

合金断口形貌和能谱分析表明，合金断口主要以韧窝断裂为主，表明合金有着较好的塑性。但在合金局部存在有含Ti的粗大化合物。粗大的含Ti化合物对合金塑性影响很大，降低合金铸态时的延伸率。

元素重量原子百分比百分比/%/%A l 5 7.8 7 7 0.9 1 T i 4 2.1 3 2 9.0 9总量1 0 0.0 0

图2 合金铸态的断口形貌及能谱分析结果

2.2 力学性能及硬度

降低和控制产品生产成本，才能更好地获得市场化应用。因此，在对鞋模铸造铝合金不做任何热处理时的室温力学性能至关重要。理想状态时的合金要求强度高、硬度高和韧性好。新型鞋模铸造铝合金根据Al-Zn铸造铝合金的特点，优化设计了合金化学成分，以达到合金高强韧性能配合。合金在不同自然时效时间时的力学性能、表面硬度检测结果分别见表1和表2。

表1 铝合金铸态时的室温力学性能和硬度（自然时效24h）

表2 铝合金铸态时的室温力学性能和硬度（自然时效72h）

力学性能和硬度检测分析表明，合金具有较强的自然时效效应。在自然时效72h后，铸态试样的合金硬度上升较快，力学性能小幅上升，延伸率略为下降。总体来说，合金在铸态时有较高的塑性、强度和硬度。

2.3 高温性能及组织

铸造铝合金鞋模需在180℃左右的温度下间断地工作，要求鞋模铝合金具有较好的高温力学性能；同时，为提高鞋模表面的光洁度，鞋模需在320℃下进行表面涂层固化处理。热处理可强化的铝合金有较高的强度和硬度，但在高温时强度和硬度下降很快，缩短了鞋模的使用寿命。新型Al-Zn鞋模铸造铝合金，根据主要合金元素的性质特点和合金化强化机理，优化了合金成分设计和生产工艺，具有较好的高温力学性能。不同加热温度和加热时间时鞋模合金的表面硬度见表3，高温时合金的组织如图3所示。

表3 不同加热温度和加热时间下的表面硬度

图3 合金铸态180℃/32h加热后的高倍组织

高温试验结果表明，在180℃加热保温后，合金晶界析出相粗化聚集，晶界弱化，合金固溶强化减弱，因此，在180℃加热保温8h后，合金硬度下降较快；但在继续加热保温16h和32h后，合金硬度仍然保持在78HBa（87HB）的硬度，说明合金铸态的高温性能稳定良好。在320℃加热短时保温后，合金硬度依然保持在85HBa（120HB）较高的硬度，说明合金具有较好的高温性能。