周澤軍,王長順,李有祥,王　成,張　新

(1.陸軍某軍事代表局,北京 100011；2.北京北方車輛集團有限公司 工藝技術(shù)中心,北京 100072；3.北京北方車輛集團有限公司 北京市特種車輛先進制造與評估工程技術(shù)研究中心,北京 100072；4.陸軍駐某廠軍事代表室,北京 100072)

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Al-Cu合金液態(tài)模鍛成形組織及力學性能研究

周澤軍1,王長順2,3,李有祥4,王成4,張新2,3

(1.陸軍某軍事代表局,北京 100011；2.北京北方車輛集團有限公司 工藝技術(shù)中心,北京 100072；3.北京北方車輛集團有限公司 北京市特種車輛先進制造與評估工程技術(shù)研究中心,北京 100072；4.陸軍駐某廠軍事代表室,北京 100072)

摘要：為了研究2A50合金及其成分優(yōu)化調(diào)整改進型Al-Cu合金液態(tài)模鍛成形輪轂的性能及其微觀組織,采用照相機、多用途射線系統(tǒng)和萬能試驗機分析了成形輪轂的組織與性能,研究了成分對輪轂組織和性能的影響.研究結(jié)果表明：新Al-Cu合金輪轂中的主要缺陷為少量點狀、片狀氧化夾雜物,疏松焊合區(qū)以及局部微熱裂紋；現(xiàn)役2A50合金輪轂低倍組織中的缺陷主要包括嚴重疏松組織、熱裂紋以及大范圍大尺寸點狀、片狀氧化物,新Al-Cu合金輪轂的低倍組織優(yōu)于現(xiàn)役2A50合金輪轂；2A50合金Cu偏析程度、疏松程度以及裂紋尺寸分布均較新Al-Cu合金嚴重；新Al-Cu合金輪轂的拉伸性能顯著優(yōu)于現(xiàn)役2A50合金輪轂性能.

關鍵詞：新Al-Cu合金；2A50合金；微觀組織；拉伸性能

鋁合金由于具有密度小、比強度、比剛度高、良好的電磁屏蔽、抗阻尼性能和資源豐富且可回收等一系列優(yōu)點,是優(yōu)良的結(jié)構(gòu)和功能材料,被稱之為綠色材料,大量使用在各個工業(yè)部門,成為機械零部件必不可少的材料之一[1-3].

鋁合金液態(tài)模鍛定量澆注成形技術(shù)是建立在壓力下金屬凝固原理基礎上,將準確計量后一定量的熔融金屬直接澆入金屬模腔,隨后在壓力的作用下,使處于熔融或半熔融的金屬液發(fā)生流動,凝固成形,從而獲得具有近凈形狀的固態(tài)零件,是解決輪轂制造問題的最佳成形技術(shù),在生產(chǎn)過程中實現(xiàn)了輪轂的近凈成形和節(jié)能降耗的優(yōu)點.在定量澆注技術(shù)中通過模具的精確設計和澆注熔液的準確計量,一次擠壓實現(xiàn)少切削或無切削的鋁合金輪轂部件,達到輪轂的近凈成形和材料利用率的提高[4-5].

為了提高液態(tài)或半固態(tài)鋁合金成形制件的組織和力學性能,一些成形研究方法陸續(xù)被發(fā)明,如鑄鍛復合、連鑄連鍛和半固態(tài)雙控成形等方法[6-7],其中,文獻[8]開發(fā)了鋁基復合材料液態(tài)模鍛成形技術(shù),同時,在鋁合金負重輪制造和成形技術(shù)研究的基礎上,首次提出了半固態(tài)-塑性變形一體化模鍛技術(shù)[9].在鋁合金液態(tài)模鍛成形技術(shù)的基礎上,先后開發(fā)了鋁合金液態(tài)模鍛成形技術(shù)配套的定量澆注設備研究技術(shù)[10]、2A50鋁合金負重輪液態(tài)模鍛成形技術(shù)、鋁基復合材料負重輪液態(tài)模鍛成形技術(shù)、鋁基復合材料履帶板液態(tài)模鍛成形技術(shù)及ZL205A鋁合金負重輪液態(tài)模鍛成形技術(shù)等[11-12],部分成形件已經(jīng)應用到車輛上,實現(xiàn)了車輛的減重和節(jié)能降耗.

針對輪轂高性能、輕量化需求,對成形原材料提出了更高的要求.目前采用的ZL205A合金,雖然強度高,但在液態(tài)模鍛過程中,成形性能差,熱烈傾向大,Cu元素偏析嚴重,已經(jīng)無法滿足液態(tài)模鍛生產(chǎn)輪轂要求.而國內(nèi)目前沒有專門用于液態(tài)模鍛的高強韌牌號鋁合金,為此,文中對一種新型的液態(tài)模鍛用高強高韌鋁合金進行研究,解決輪轂液態(tài)模鍛成形問題.

1實驗材料及方法

1.1實驗材料

合金成分設計方面,綜合考慮鑄造合金與變形合金的合金特性,以ZL205A、ZL114A合金為基礎進行成分調(diào)整,將鑄造鋁合金與變形鋁合金結(jié)合一體,形成一種新型的高強高韌液態(tài)模鍛合金,其中合金中Cu的成分設計原則：ZL205A合金的Cu元素含量為4.6%～5.3%；2A16合金的Cu元素含量為6.0%～7.0%.

為將兩種合金結(jié)合一體,取ZL205A合金中Cu的下限含量和2A16合金Cu的上限含量,設計一種新成分合金：Cu元素含量為4.6%～7.0%.因此,新型Al-Cu合金的設計成分見表1,實測成分見表2,2A50合金成分見表3.

表1　新型Al-Cu合金設計化學成分 (ω/%)

表2　新型Al-Cu合金實測化學成分(ω/%)

1.2實驗方法

合金液澆入安裝在30 000 kN 壓力機上的模具中進行液態(tài)模鍛成型,擠壓比壓為120 MPa,保壓時間為30 s,模具預熱溫度為250 ℃,負重輪復合加載液態(tài)模鍛成形模具圖如圖1所示.采用索尼(SONY)ILCE-7M2K 全畫幅微單套機拍攝合金的低倍組織,采用CSS244100 萬能電子拉伸試驗機進行拉伸試驗,采用德國產(chǎn)Y.Cheetah多用途射線系統(tǒng)檢測輪轂的內(nèi)部質(zhì)量.

表3　2A50合金成分表(ω/%)

1-上模板;2-螺栓;3-上模墊板;4-外沖頭;5-內(nèi)沖頭

2結(jié)果與討論

2.1合金的低倍組織

2.1.1新Al-Cu合金輪轂低倍組織

液態(tài)模鍛方法制備的新Al-Cu合金輪轂與2A50合金輪轂實物分別如圖2(a)和圖2(b)所示.

圖2　合金輪轂

新Al-Cu合金與現(xiàn)役2A50合金的低倍組織試樣按照圖2(a)所示沿直徑切取厚20 mm片狀試驗件,分別觀察低倍組織形貌,其中新Al-Cu合金輪轂低倍試樣如圖3所示,現(xiàn)役2A50合金輪轂如圖4所示.

新Al-Cu合金輪轂低倍組織照片如圖3所示,圖3(a)是新合金輪轂剖面,圖3(b)是輪轂低倍試樣的左半部分缺陷照片,圖3(c)是輪轂低倍試樣的右半部分缺陷照片.

圖3　新Al-Cu合金輪轂低倍組織照片

圖3(b)中1處含有較多氧化物,這是因為1處屬于液體流動混亂區(qū),氧化物在熔體流動時容易卷進該區(qū),但低溫氧化程度不嚴重,沒有造成大范圍的氧化；圖3(b)中的2處為疏松焊合區(qū),該焊合區(qū)的形成是由于凝固過程中枝晶間形成間隙,新合金自身具有良好的補縮性,在凝固后期部分富Cu相進行填充形成了焊合區(qū),并沒有形成真正意義上的疏松組織；圖3(b)中的3區(qū)屬于輕微熱裂紋,此處熱裂紋形成的主要原因是,該區(qū)域?qū)儆谝后w區(qū),在模具冷卻作用下外層熔體先形成一層薄的金屬殼,在受力壓縮過程中此處的金屬殼向下運動內(nèi)部金屬液幾乎不流動,內(nèi)外產(chǎn)生相對運動,因此形成了局部輕微熱裂紋.此處熱裂紋屬于局部缺陷對輪轂整體沒有造成嚴重影響,可以通過改善模具表面光潔度與控制降低加壓速率消除該缺陷；4區(qū)為氧化物缺陷,其中內(nèi)表層氧化物是熔體中的氧化皮在上模壓合成形時被壓入輪轂內(nèi)表層形成的,中心部位氧化物是熔體中的氧化夾雜在壓力作用下隨熔體流動至裙邊頂端凝固保留在組織中造成的.圖3(c)中所示的缺陷主要是氧化夾雜物,氧化物的存在主要是由于熔體冶金質(zhì)量不高與熔體澆鑄時發(fā)生氧化反應所生成的.1處氧化物的存在是因為該拐角區(qū)域是熔體流動混亂區(qū),熔體在壓力下產(chǎn)生流動,流經(jīng)該區(qū)時流動方向發(fā)生改變并產(chǎn)生對流,卷入部分氧化物；圖3(c)中2處的缺陷是氧化物折疊,該處缺陷的形成是由于熔體在受力壓縮時,熔體內(nèi)的氧化物在下模作用下被擠入輪轂表層,立體形貌為層片狀氧化物；圖3(c)中缺陷也是氧化物造成的,該區(qū)氧化物是由流至此處的熔體攜帶而來的,在受力壓縮成形時被殘留在輪轂組織當中.降低氧化物缺陷是可以通過控制熔體冶金質(zhì)量得以實現(xiàn)的.

2.1.22A50合金輪轂低倍組織

現(xiàn)役2A50合金輪轂的低倍組織如圖4所示,由于所提供的現(xiàn)役輪轂樣件中心已經(jīng)被加工掉?140 mm的圓,所以沿直徑方向切取的厚20 mm片狀實驗件是由兩個半輪轂試樣組成的.

從圖4中可以看出,2A50合金輪轂低倍組織中的缺陷顯著多于新Al-Cu合金輪轂.圖4(b)為右半輪轂的低倍組織照片,從圖4(b)可以看出,1處為大尺寸的氧化夾雜物.其中頂部的氧化物是隨熔體流經(jīng)此處凝固形成的,拐角處的氧化物是熔體中氧化物在受力成形時被壓入輪轂表層,由于氧化物尺寸較大形成嚴重疏松；2處為一條帶狀分布的嚴重疏松區(qū),在拐角區(qū)內(nèi)含有大尺寸氧化夾雜與疏松裂紋,疏松與裂紋的形成是因為合金的補縮性能較差而引起的；3處缺陷是大尺寸氧化夾雜物在受力壓縮時發(fā)生折疊而形成的嚴重疏松；4處為嚴重疏松與裂紋區(qū).該合金自身補縮性能差,在補縮凝固過程中沒有足夠富Cu相填充枝晶間隙,輕則形成疏松,嚴重則形成熱裂紋.

圖4(c)為左半輪轂的低倍組織照片.1處為一整條狀分布的嚴重疏松區(qū),在拐角區(qū)與輪轂底部區(qū)域含有大尺寸氧化物與熱裂紋,這是由于該拐角區(qū)域熔體流動混亂,易卷入氧化夾雜物；2處缺陷為大尺寸氧化夾雜折疊形成的嚴重疏松；3處為嚴重疏松區(qū).疏松區(qū)的形成是由于合金自身的補縮性較差,在受力壓縮時中心區(qū)樹枝晶間空隙區(qū)補縮不徹底從而形成嚴重疏松.

圖4　現(xiàn)役2A50合金輪轂低倍組織照片

2.2內(nèi)部冶金質(zhì)量對比分析

為了對比新Al-Cu合金輪轂與2A50合金輪轂內(nèi)部冶金質(zhì)量,本文對兩種合金輪轂進行了整體與局部的X光檢測.為了將低倍組織與X光檢測結(jié)果結(jié)合分析,采用低倍組織試樣進行X光檢測,新Al-Cu合金輪轂局部X光檢測結(jié)果如圖5所示,2A50合金輪轂X光檢測結(jié)果如圖6所示.

觀察圖5可以發(fā)現(xiàn),Cu元素主要在輪轂的拐角區(qū)偏聚,偏聚的形貌以絮狀為主,除此之外在輪轂底邊中心區(qū)也存在少量Cu偏聚,這是因為在凝固成形初期液態(tài)金屬上下表層先形成薄的金屬殼,新合金具有良好的鑄造性能與補縮性能,在壓縮凝固后期部分富Cu相補縮填充形成較高含量的Cu元素偏析.Cu元素的偏聚在液態(tài)模鍛工藝中是不可避免的.

觀察圖6結(jié)合整體X光影像結(jié)果可知,2A50合金輪轂中的偏析主要以麻繩狀立體形貌分布,從裙邊接近頂部位置開始一直連續(xù)延伸到輪轂底邊,并且伴有部分大尺寸塊狀、絮狀偏析.在輪轂底部中心區(qū)同樣存在部分Cu偏聚與疏松,這是由于2A50合金自身鑄造性能與補縮性能較差,在后期受力壓縮時枝晶間間隙沒有足夠富Cu相填充產(chǎn)生了疏松與偏析.在觀片燈下觀察底片,圖6(a)中所示的A處與圖6(b)所示的B處存在裂紋,這一結(jié)果同低倍組織結(jié)果相吻合.

圖5　新Al-Cu合金輪轂X光檢測影像

圖6　2A50合金輪轂X光檢測影像

通過比較圖5與圖6可以發(fā)現(xiàn),兩種合金輪轂中均存在顯著Cu偏析現(xiàn)象,Cu元素偏析主要是集中在輪轂拐角區(qū)；不同的是2A50合金輪轂內(nèi)Cu元素偏聚尺寸較大,除了麻繩狀偏聚形貌之外還有部分塊狀、絮狀偏聚形貌以及嚴重疏松組織與裂紋；新Al-Cu合金輪轂內(nèi)Cu元素偏聚尺寸較小、范圍較窄,以長條狀與絮狀形貌偏聚為主,伴有少量疏松焊合區(qū).通過以上分析可知2A50合金Cu元素偏析程度、疏松程度以及裂紋尺寸分布均較新Al-Cu合金嚴重,因此新Al-Cu合金輪轂內(nèi)部冶金質(zhì)量優(yōu)于2A50合金輪轂.

2.3拉伸性能

2.3.1新Al-Cu合金輪轂拉伸性能

對新型Al-Cu合金的高倍組織所劃分的8個區(qū)對拉伸性能按照分區(qū)分析,如圖7所示,新Al-Cu合金輪轂的拉伸性能如圖8所示.

圖7　新Al-Cu合金輪轂拉伸試樣取樣區(qū)域圖

從圖8中可以看出,新Al-Cu合金輪轂連續(xù)切取的25根拉伸試樣大部分都已滿足所要求的拉伸性能：抗拉強度σb≥340 MPa,延伸率δ≥6%,屈服強度σ0.2整體平穩(wěn)分布,其中不滿足性能的拉伸試樣主要分布在所劃分的4區(qū)、6區(qū)與7區(qū).

圖8　新Al-Cu合金輪轂連續(xù)取樣性能圖

比較圖5與圖7可以發(fā)現(xiàn),圖5所示的X光檢測結(jié)果中Cu的主要偏析位置就是圖7中的4區(qū)、6區(qū)與7區(qū).4區(qū)的拉伸性能結(jié)果表明該區(qū)的抗拉強度σb滿足性能要求,延伸率δ不滿足要求,這是因為4區(qū)所處的位置是模具的冷角區(qū)域,在液態(tài)模鍛成形過程中,與模具率先接觸快速冷卻凝固,使熔體中的Cu來不及流動擴散便在該區(qū)凝固形成粗大CuAl2(θ)相,因此在拉伸過程中,在三向拉應力的作用下粗大的CuAl2(θ)相率先與基體脫離,同時4區(qū)的Cu含量在4.56%～5.46%范圍內(nèi),因此該區(qū)總體上的強度滿足性能要求,塑性較差.

由6區(qū)的拉伸性能結(jié)果表明該區(qū)的強度與延伸率均不滿足性能要求.這是因為6區(qū)雖然存在Cu偏聚現(xiàn)象,但是經(jīng)測量6區(qū)屬于貧Cu區(qū),Cu含量范圍在4.2%～4.44%,接近Cu設計含量的下限,必然導致其強度不高；同時從圖5中可以看出，Cu偏聚的位置在輪轂與模具接觸的拐角外表層,因此在拉伸過程中粗大的CuAl2(θ)相與基體結(jié)合性差率先與基體分離,導致該區(qū)的抗拉強度不滿足性能要求且低于4區(qū)強度,塑性較差.

從7區(qū)的拉伸性能結(jié)果可知,7區(qū)內(nèi)有兩根試樣性能不合格.圖5(a)與圖7對比可以看出,7區(qū)內(nèi)存在少量Cu偏析必然導致該區(qū)域內(nèi)部分拉伸性能不符合要求.

同4區(qū)與6區(qū)相比較,5區(qū)的拉伸性能顯著優(yōu)異.這是因為5區(qū)輪轂裙邊底角與模具率先接觸,在凝固過程中受金屬模具冷卻作用快速凝固等軸晶程度高,因此其強度與塑性優(yōu)于4區(qū)與6區(qū).

2.3.2現(xiàn)役2A50合金輪轂拉伸性能

2A50合金輪轂的拉伸性能如圖9所示.在此需要說明的是,由于所提供的2A50合金輪轂不完整,共加工出15個拉伸試樣.將圖2(a)與圖2(b)進行對比可知，2A50合金輪轂的1號拉伸試樣與新Al-Cu合金輪轂對應的位置是8號拉伸試樣,因此為方便研究對比,2A50合金拉伸性能圖中的起始標號為8號,如圖9所示.

從圖9中可以看出,2A50合金輪轂性能遠不如新Al-Cu合金輪轂,這主要是由2A50合金自身成分決定的.由于2A50合金的Cu含量在1.8%～2.6%之間,必然導致其強度不及新Al-Cu合金輪轂.

其4區(qū)整體上強度與延伸率基本滿足要求.圖7與圖6對比可知,在2A50合金輪轂中Cu的主要偏析位置不在4區(qū)而是在6區(qū)與7區(qū),這一點是不同于新Al-Cu合金的.因為4區(qū)是模具冷角區(qū),在受力壓縮凝固時率先凝固,因此其組織內(nèi)必然等軸晶程度高,偏析不嚴重,因此性能較好.

其6區(qū)強度與延伸率不滿足性能要求且低于4區(qū)性能,如圖9所示,6區(qū)的抗拉強度σb與延伸率δ是所有實驗數(shù)據(jù)中最差的.這是因為2A50合金自身Cu含量低其強度必然不高,其次受工藝與模具形狀尺寸的限制,6區(qū)是為Cu含量最低的區(qū)域且存在嚴重偏析,因此在拉伸過程中受三向拉應力的作用粗大的CuAl2(θ)相與基體結(jié)合差率先與基體分離導致性能差.在新Al-Cu合金輪轂與2A50合金輪轂中6區(qū)都是貧Cu區(qū)且Cu偏析嚴重,該區(qū)域的組織性能應是研究關注的重點.

圖9　現(xiàn)役2A50合金輪轂連續(xù)取樣性能分布圖

同新Al-Cu合金輪轂相似,5區(qū)的性能優(yōu)于4區(qū)與6區(qū),這也是因為5區(qū)位置是與模具底角接觸區(qū),在凝固時率先凝固形成高等軸晶組織.

2A50合金輪轂中7區(qū)的性能不同于新Al-Cu合金輪轂,在新Al-Cu合金中7區(qū)的性能整體基本滿足性能要求,而2A50合金輪轂中7區(qū)的性能卻不滿足要求.這是因為X光檢測發(fā)現(xiàn)2A50合金輪轂中7區(qū)存在嚴重疏松與Cu偏析,而新合金輪轂中7區(qū)只有少量Cu偏析,因此新合金輪轂7區(qū)性能整體優(yōu)于2A50合金輪轂.

3結(jié) 論

1) 通過對比研究新Al-Cu合金輪轂與現(xiàn)役2A50合金輪轂的低倍組織可知：新Al-Cu合金輪轂中的主要缺陷為少量點狀、片狀氧化夾雜物,疏松焊合區(qū)以及局部微熱裂紋；現(xiàn)役2A50合金輪轂低倍組織中的缺陷主要包括嚴重疏松組織、熱裂紋以及大范圍大尺寸點狀、片狀氧化物,新Al-Cu合金輪轂的低倍組織優(yōu)于現(xiàn)役2A50合金輪轂.

2) 通過對比研究新Al-Cu合金輪轂與現(xiàn)役2A50合金輪轂X光檢測結(jié)果可知：2A50合金Cu偏析程度、疏松程度以及裂紋尺寸分布均較新Al-Cu合金嚴重,因此新Al-Cu合金輪轂內(nèi)部冶金質(zhì)量優(yōu)于2A50合金輪轂.

3) 通過對新Al-Cu合金輪轂與現(xiàn)役2A50合金輪轂拉伸性能研究可知,新Al-Cu合金輪轂的拉伸性能顯著優(yōu)于現(xiàn)役2A50合金輪轂性能.

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(責任編輯、校對張超)

Analysis of Microstructure and Mechanical Properties of Liquid Forged Al-Cu Alloy

ZHOUZejun1,WANGChangshun2,3,LIYouxiang4,WANGCheng4,ZHANGXin2,3

(1.Military Representative Bureau,PLA,Beijing 100011,China；2.Technology Center,Beijing North Vehicle Group Co.Ltd.,Beijing 100072,China；3.Beijing Engineering Research Center for Advanced Manufacturing and Evaluation of Special Vehicle,Beijing North Vehicle Group Co.Ltd.,Beijing 100072,China;4.Military Representative Office,PLA,Beijing 100072,China)

Abstract:In order to study the properties and microstructure of the wheel prepared by 2A50 alloy and new Al-Cu alloy,the camera,multipurpose X-ray system and universal testing machine were adopted to analyze the properties and microstructure,and the effects of composition on microstructure and performance of the hub group were studied.The results show:The main defects of the new Al-Cu alloy wheels were the small punctates,patchy oxide inclusions,loose weld zone and local crack;The main defects in low magnification microstructure of 2A50 alloy wheel mainly included serious loose tissue,hot crack and a wide range of large size punctates and patchy oxides;The low magnification microstructure of the new Al-Cu alloy wheel was better than that of 2A50 alloy wheel; The Cu segregation degree,degree of loose and crack size distribution of 2A50 alloy wheel were relatively more serious than that of new Al-Cu alloy wheel; The tensile performance of new Al Cu alloy wheels was significantly superior to that of the 2A50 alloy wheel.

Key words:new Al-Cu alloy;2A50 alloy;microstructure;tensile properties

DOI:10.16185/j.jxatu.edu.cn.2016.04.005

收稿日期：2016-01-05

基金資助：國家國際科技合作專項(2014DFR50320)

作者簡介：周澤軍(1962-),男,陸軍某軍事代表局高級工程師,主要研究方向為材料液態(tài)成形技術(shù).E-mail：kmzx201@163.com.

文獻標志碼:中圖號：TG146.2;TG113.12A

文章編號：1673-9965(2016)04-0283-07