压力对A380铝合金的铸造组织和力学性能的影响

工程科学学报，第39卷，第7期：1020-1026,2017年7月 Chinese Journal of Engineering,Vol.39,No.7:1020-1026,July 2017 D0l:10.13374/j.issn2095-9389.2017.07.006:http://journals..ustb.edu.cn 压力对A380铝合金的铸造组织和力学性能的影响 于佰水12)四，邢书明”，教晓辉”，孙超》 1)北京交通大学机械与电子控制工程学院，北京1000442)杭州海康威视数字技术有限公司，杭州310051 3)一汽铸造有限公司有色铸造分公司，长春130062 ☒通信作者，E-mail:14121316@bjtu.edu.cm 摘要对A380铝合金进行了挤压铸造成型和传统重力铸造成型，并制得试样.采用偏光显微镜、扫描电镜、定量金相分 析、拉伸性能测试等手段，研究在不同压力下挤压铸造A380铝合金的铸造组织和力学性能.结果表明：当压力在0~75MP 范围内时，随着压力的增加，一次枝晶臂尺寸和气孔率得到大幅下降，共晶组织体积分数增加：二次枝晶臂间距减小：针状富 铁BAl,FeSi相尺寸大幅度减小，同时有部分汉字状aAL(Fe,Mn),Si,相生成.当压力在75~100MPa范围内时，压力继续增 加对合金组织细化、第二相形貌改善和力学性能提高的作用不明显.挤压铸造试件与重力铸造试件相比，气孔率减小，显微 组织细化，力学性能显著提高.当压力为75MP时，挤压铸造A380铝合金的铸态抗拉强度和伸长率分别比重力铸造提高 19%和65%. 关键词A380铝合金：挤压铸造；微观组织：力学性能 分类号TG142.71 Effect of pressures on macro-/microstructures and mechanical properties of A380 aluminum alloy YU Bai--shu2e,XING Shu-ming”,A0 Xiao-hui》,SUN Chao》 1)School of Mechanical and Electronic Control Engineering,Beijing Jiaotong University,Beijing 100044,China 2)Hangzhou Hikvision Digital Technology Co.Ltd.Hangzhou 310051,China 3)Non-Ferrous Casting Branch,Faw Foundry Co.Ltd.,Changchun 130062,China Corresponding author,E-mail:14121316@bjtu.edu.cn ABSTRACT This study investigated the microstructures and the mechanical properties of the A380 alloy solidified at different squeeze pressures by polarizing microscopy,scanning electron microscopy,image analysis,and tensile test.The obtained results show that the microstructures of the squeeze casting specimens are much finer than those of gravity casting specimens.Moreover,the porosi- ty and the mechanical properties of the squeeze casting specimens are remarkably improved compared with those of the gravity casting specimens.The size of the dendrite arm and the porosity decrease when the squeeze pressure is increased from 0 MPa to 75 MPa in the squeeze casting process.The eutectic volume fraction of the specimen increases,while the secondary dendrite spacing decreases.The size of the needle-ike B-Al,FeSi phase significantly decreases.In addition,a few aAls(Fe,Mn)Si,phases with Chinese characters are observed in the grain boundary.The influence of the pressure on the microstructures,second-phase morphology,and mechanical properties of the squeeze casting specimens does not significantly improve with the increasing squeeze pressure when the squeeze pres- sure is larger than 75 MPa.The tensile strength and the elongation of the A380 alloy when the squeeze pressure is 75 MPa increase by 19%and 65%,respectively,compared with those of the gravity casting specimens. KEY WORDS A380 aluminum alloy:squeeze casting:microstructures;mechanical property 收稿日期：2016-09-29 基金项目：国家863项目(2014AA041804)

工程科学学报，第 39 卷，第 7 期: 1020--1026，2017 年 7 月 Chinese Journal of Engineering，Vol． 39，No． 7: 1020--1026，July 2017 DOI: 10． 13374 /j． issn2095--9389． 2017． 07． 006; http: / /journals． ustb． edu． cn 压力对 A380 铝合金的铸造组织和力学性能的影响 于佰水1，2) ，邢书明1) ，敖晓辉1) ，孙 超3) 1) 北京交通大学机械与电子控制工程学院，北京 100044 2) 杭州海康威视数字技术有限公司，杭州 310051 3) 一汽铸造有限公司有色铸造分公司，长春 130062 通信作者，E-mail: 14121316@ bjtu． edu． cn 摘 要 对 A380 铝合金进行了挤压铸造成型和传统重力铸造成型，并制得试样． 采用偏光显微镜、扫描电镜、定量金相分 析、拉伸性能测试等手段，研究在不同压力下挤压铸造 A380 铝合金的铸造组织和力学性能． 结果表明: 当压力在 0 ～ 75 MPa 范围内时，随着压力的增加，一次枝晶臂尺寸和气孔率得到大幅下降，共晶组织体积分数增加; 二次枝晶臂间距减小; 针状富 铁 β-Al5FeSi 相尺寸大幅度减小，同时有部分汉字状 α-Al8 ( Fe，Mn) 3 Si2相生成． 当压力在 75 ～ 100 MPa 范围内时，压力继续增 加对合金组织细化、第二相形貌改善和力学性能提高的作用不明显． 挤压铸造试件与重力铸造试件相比，气孔率减小，显微 组织细化，力学性能显著提高． 当压力为 75 MPa 时，挤压铸造 A380 铝合金的铸态抗拉强度和伸长率分别比重力铸造提高 19% 和 65% ． 关键词 A380 铝合金; 挤压铸造; 微观组织; 力学性能 分类号 TG142. 71 收稿日期: 2016--09--29 基金项目: 国家 863 项目( 2014AA041804) Effect of pressures on macro-/microstructures and mechanical properties of A380 aluminum alloy YU Bai-shui1，2)  ，XING Shu-ming1) ，AO Xiao-hui1) ，SUN Chao3) 1) School of Mechanical and Electronic Control Engineering，Beijing Jiaotong University，Beijing 100044，China 2) Hangzhou Hikvision Digital Technology Co． Ltd． ，Hangzhou 310051，China 3) Non-Ferrous Casting Branch，Faw Foundry Co． Ltd． ，Changchun 130062，China Corresponding author，E-mail: 14121316@ bjtu． edu． cn ABSTＲACT This study investigated the microstructures and the mechanical properties of the A380 alloy solidified at different squeeze pressures by polarizing microscopy，scanning electron microscopy，image analysis，and tensile test． The obtained results show that the microstructures of the squeeze casting specimens are much finer than those of gravity casting specimens． Moreover，the porosi￾ty and the mechanical properties of the squeeze casting specimens are remarkably improved compared with those of the gravity casting specimens． The size of the dendrite arm and the porosity decrease when the squeeze pressure is increased from 0 MPa to 75 MPa in the squeeze casting process． The eutectic volume fraction of the specimen increases，while the secondary dendrite spacing decreases． The size of the needle-like β-Al5FeSi phase significantly decreases． In addition，a few α-Al8 ( Fe，Mn) 3 Si2 phases with Chinese characters are observed in the grain boundary． The influence of the pressure on the microstructures，second-phase morphology，and mechanical properties of the squeeze casting specimens does not significantly improve with the increasing squeeze pressure when the squeeze pres￾sure is larger than 75 MPa． The tensile strength and the elongation of the A380 alloy when the squeeze pressure is 75 MPa increase by 19% and 65% ，respectively，compared with those of the gravity casting specimens． KEY WOＲDS A380 aluminum alloy; squeeze casting; microstructures; mechanical property

于佰水等：压力对A380铝合金的铸造组织和力学性能的影响 ·1021· A380合金是一种常用的压铸铝合金，其允许Fe 挤压铸造是一种结合铸造和锻造特点于一体的工 质量分数较高（≤1.0%），生产成本低，在国内外得到 艺-口.该工艺方法是将合金液在较高的压力作用下 广泛应用.随着对铝合金压铸件性能要求和使用寿 充型、结晶和凝固并产生少量塑性变形，从而获得晶粒 命的提高，传统压铸A380合金件不能满足要求.关于 细小、组织致密和性能良好的毛坯或零件.挤压铸造 如何提高A380的强韧性，国内外做了很多工作， 在提高铝硅系和铝铜系合金强韧性方面效果明显，可 主要包括合金化或变质处理方法和采用先进成形技术 消除合金的气孔和缩松的缺陷.将挤压铸造成形 方法两大类。 工艺与高Fe含量的A380合金结合，是开发高效回收 瑞典的Seifeddine与Svensson将Mn和Fe以l:2 铝合金材料的有效途径之一.探讨压力对A380合金 的质量比添加，研究含Fe金属间化合物的形貌尺寸变 各相尺寸和形貌变化以及显微孔洞的数量的影响作 化，发现M的质量分数在0.5%时，对性能危害小的 用，揭示压力对力学性能的影响规律，将为获得高性能 汉字状Als(Fe,Mn),Si,相取代了常见的多面体状和 和易再生的高强韧铸造铝合金提供重要参考， 雪花状的有害Fe相.伊朗的shabestari等m研究了Sr 1实验过程和方法 对于A380合金中金属间化合物的影响，证明添加Sr 减缓了金属间化合物的形成.Parshizfard与Shabe- 1.1合金熔炼 stari圆采用应变熔化(SMA)的方法改善A380合金的 实验材料为铈微合金化的A380铝合金.所用原 组织，得到了近球形的半固态组织，但最高抗拉强度只 材料为A380合金锭，采用5kW的坩锅式电阻炉熔炼 有187.9MPa,延伸率2.07%.土耳其的rizalp等研 合金，利用TESH310型接触式测温表+K型热电偶测 究了触变成型下A380铝合金组织的aAl和BAl,Fe- 温.将石墨坩埚预热至400℃，加入A380铝合金锭， Si相分布与形态，证明BAL,FeSi相与Al都得到显 升温熔化炉料，加入覆盖剂；715℃时加入预热好的 著细化，抗拉强度达到240MPa,延伸率为3.5%.刘志 Al-Ce中间合金，用石墨棒搅拌，使合金充分熔解；当 勇等00采用蛇形通道制备半固态A380铝合金浆料， 熔体温度为725±5℃时精炼除气，10min后扒渣：用 并指出增加弯道数量或减小通道内径可减小初生 石墨杯取样，在标样校准后的MAXx LMFO5直读光谱 α(A)晶粒的平均直径.这些合金化或变质处理方法 仪上进行化学成分测定，分析结果如表1所示：随后将 和采用先进成形技术对于改善A380组织都有一定作 合金液静置，待温度降至725±5℃时进行不同压力下 用，但增加了材料成本，且效果较难稳定 的挤压铸造实验 表1实验A380合金的化学成分（质量分数） Table 1 Chemical composition of the A380 alloy in this study % 元素 Si Cu Mn Mg Fe Ni Zn Sn Ce 试件成分 8.313 3.394 0.407 0.081 0.767 0.049 0.915 0.054 0.430 余量 名义成分7.5-9.53.0-4.0≤0.50 ≤0.10 ≤1.0 ≤0.50 ≤2.90 ≤0.15 余量 1.2试件和试样的制备 180 利用自主研发的THP16-200A型四柱立式挤压铸 低倍试样 造机进行实验，模具预热温度为250±5℃，挤压压力 分别为0、25、50、75和100MPa,挤压速度为0.3m· s,保压时间为30s.获得5件尺寸为180mm×40mm 中心纵剖面 ×40mm的试件毛坯，其中压力为0MPa的试件实质上 -30个低倍视场 180 是金属型重力铸造件，以便与挤压铸造件进行对比，为 20 了保证试件能够代表金属型重力铸造的水平，采用了 大冒口补缩.各种试件沿中心纵剖面切开，每块均按 图1所示取样方案在典型位置截取低倍组织试样、显 微组织分析试样以及拉伸试样. 显微试样 中心纵剖面 -拉伸试样 1.3试验方法 图1取样方案示意图（单位：mm) 对低倍组织分析试样依据GB/T3246.2一2012经 Fig.1 Observation plan and position to take specimens (unit:mm) 磨抛和腐蚀处理，利用LEICA-S6D型偏光体视显微镜 进行低倍观察，每个试样选取30个视场进行拍照.显 DM2000金相显微镜和蔡司(ZEISS)EV018扫描电子 微组织分析试样经过磨抛，Keller试剂腐蚀，利用 显微镜观察，每个试样选取10个视场进行观察拍照

于佰水等: 压力对 A380 铝合金的铸造组织和力学性能的影响 A380 合金是一种常用的压铸铝合金，其允许 Fe 质量分数较高( ≤1. 0% ) ，生产成本低，在国内外得到 广泛应用［1］． 随着对铝合金压铸件性能要求和使用寿 命的提高，传统压铸 A380 合金件不能满足要求． 关于 如何提高 A380 的强韧性，国内外做了很多工作［2--5］， 主要包括合金化或变质处理方法和采用先进成形技术 方法两大类． 瑞典的 Seifeddine 与 Svensson［6］将 Mn 和 Fe 以1∶ 2 的质量比添加，研究含 Fe 金属间化合物的形貌尺寸变 化，发现 Mn 的质量分数在 0. 5% 时，对性能危害小的 汉字状 Al15 ( Fe，Mn) 3 Si2 相取代了常见的多面体状和 雪花状的有害 Fe 相． 伊朗的 Shabestari 等［7］研究了 Sr 对于 A380 合金中金属间化合物的影响，证明添加 Sr 减缓了金属间化合物的形成． Parshizfard 与 Shabe￾stari［8］采用应变熔化( SIMA) 的方法改善 A380 合金的 组织，得到了近球形的半固态组织，但最高抗拉强度只 有 187. 9 MPa，延伸率 2. 07% ． 土耳其的 Irizalp 等［9］研 究了触变成型下 A380 铝合金组织的 α-Al 和 β-Al5Fe￾Si 相分布与形态，证明 β-Al5 FeSi 相与 α-Al 都得到显 著细化，抗拉强度达到 240 MPa，延伸率为 3. 5% ． 刘志 勇等［10］采用蛇形通道制备半固态 A380 铝合金浆料， 并指出增加弯道数量或减小通道内径可减小初生 α( Al) 晶粒的平均直径． 这些合金化或变质处理方法 和采用先进成形技术对于改善 A380 组织都有一定作 用，但增加了材料成本，且效果较难稳定． 挤压铸造是一种结合铸造和锻造特点于一体的工 艺［11--12］． 该工艺方法是将合金液在较高的压力作用下 充型、结晶和凝固并产生少量塑性变形，从而获得晶粒 细小、组织致密和性能良好的毛坯或零件． 挤压铸造 在提高铝硅系和铝铜系合金强韧性方面效果明显，可 消除合金的气孔和缩松的缺陷［13--16］． 将挤压铸造成形 工艺与高 Fe 含量的 A380 合金结合，是开发高效回收 铝合金材料的有效途径之一． 探讨压力对 A380 合金 各相尺寸和形貌变化以及显微孔洞的数量的影响作 用，揭示压力对力学性能的影响规律，将为获得高性能 和易再生的高强韧铸造铝合金提供重要参考． 1 实验过程和方法 1. 1 合金熔炼 实验材料为铈微合金化的 A380 铝合金． 所用原 材料为 A380 合金锭，采用 5 kW 的坩锅式电阻炉熔炼 合金，利用 TES--1310 型接触式测温表 + K 型热电偶测 温． 将石墨坩埚预热至 400 ℃，加入 A380 铝合金锭， 升温熔化炉料，加入覆盖剂; 715 ℃ 时加入预热好的 Al--Ce 中间合金，用石墨棒搅拌，使合金充分熔解; 当 熔体温度为 725 ± 5 ℃ 时精炼除气，10 min 后扒渣; 用 石墨杯取样，在标样校准后的 MAXx LMF05 直读光谱 仪上进行化学成分测定，分析结果如表 1 所示; 随后将 合金液静置，待温度降至 725 ± 5 ℃ 时进行不同压力下 的挤压铸造实验． 表 1 实验 A380 合金的化学成分( 质量分数) Table 1 Chemical composition of the A380 alloy in this study % 元素 Si Cu Mn Mg Fe Ni Zn Sn Ce Al 试件成分 8. 313 3. 394 0. 407 0. 081 0. 767 0. 049 0. 915 0. 054 0. 430 余量 名义成分 7. 5 ～ 9. 5 3. 0 ～ 4. 0 ≤0. 50 ≤0. 10 ≤1. 0 ≤0. 50 ≤2. 90 ≤0. 15 — 余量 1. 2 试件和试样的制备 利用自主研发的 THP16--200A 型四柱立式挤压铸 造机进行实验，模具预热温度为 250 ± 5 ℃，挤压压力 分别为 0、25、50、75 和 100 MPa，挤压速度为 0. 3 m· s － 1，保压时间为 30 s． 获得 5 件尺寸为 180 mm × 40 mm × 40 mm 的试件毛坯，其中压力为0 MPa 的试件实质上 是金属型重力铸造件，以便与挤压铸造件进行对比，为 了保证试件能够代表金属型重力铸造的水平，采用了 大冒口补缩． 各种试件沿中心纵剖面切开，每块均按 图 1 所示取样方案在典型位置截取低倍组织试样、显 微组织分析试样以及拉伸试样． 1. 3 试验方法 对低倍组织分析试样依据 GB / T 3246. 2—2012 经 磨抛和腐蚀处理，利用 LEICA--S6D 型偏光体视显微镜 进行低倍观察，每个试样选取 30 个视场进行拍照． 显 微组 织 分 析 试 样 经 过 磨 抛，Keller 试 剂 腐 蚀，利 用 图 1 取样方案示意图( 单位: mm) Fig． 1 Observation plan and position to take specimens ( unit: mm) DM2000 金相显微镜和蔡司( ZEISS) EVO 18 扫描电子 显微镜观察，每个试样选取 10 个视场进行观察拍照． · 1201 ·

·1022· 工程科学学报，第39卷，第7期 拉伸试样依据GB/T228一2002加工d5mm的标准试 二维金相组中共晶组织面积分数和气孔面积分数，从 样，利用德国ZWICK Z100型电子万能材料试验机进 而获得共晶组织体积分数V和气孔率V, 行力学性能测试，拉伸速率2 mm*min,测试结果取3 个数据的平均值 定量金相分析依据GB/T15749一2008执行，将金 相照片导入Image-Pro一Plus软件进行图像的采集、分 析及定量计算.具体过程包括图像采集、灰度、图像预 图2 处理、二值化处理、人工编辑图像和图像测定.测量获 截线法测量二次枝品间距(SDAS)L网 Fig.2 Secondary dendrite arm spacing measured by the intercept 得一次枝晶平均长度L,和富铁相平均尺寸L:截线法 method 测量二次枝晶间距平均尺寸D、,如图2所示.根据相 体积分数三维特征参数与金相组织二维信息之间的定 2 结果与讨论 量关系叨，，=A,=L1=P(V,为被测相体积分数：A 不同压力下试件相同位置的纵截面低倍组织如 为单位测量面积内被测相所占面积，即二维金相组织 图3所示，都由白亮树枝晶、位于枝晶间的灰黑色共晶 信息中面积分数：L为单位测量线上被测相的长度：P。 组织以及黑色的气孔缺陷三部分组成，但是，压力不 为被测总点数和落入被测相内点数之比)，通过测量 同，这些组织的尺寸和数量存在明显的差异. mm 图3不同压力下的铸态低倍组织.(a)0MPa(重力铸造)：(b)25MPa:(c)50MPa:(d)75MPa:(e)100MPa Fig.3 Macrostructures under different pressures:(a)0 MPa (gravity casting):(b)25 MPa:(c)50 MPa:(d)75 MPa:(e)100 MPa 2.1压力对铝合金初生相尺寸的影响规律 L。=678.79exp(-p/37.74)+252.19(R=0.9743). 比较图3(a)和(d)可见，挤压铸造件的初生a枝 (1) 晶比重力铸造件明显细小.重力铸造条件下，一次枝 式中：L,为一次枝晶臂长度，m;p为压力，MPa 晶臂平均长度为914μm;而75MPa压力下的挤压铸造 这一规律可以根据压力下结晶形核理论得到解 件，一次枝晶臂平均长度只有313μm,减小了约2/3. 释：首先，根据如式(2)所示的Clausius--Clapeyron方 挤压铸造条件下，不同压力时的一次枝晶臂长度随着 程国可知，挤压铸造的凝固过程中，固液两相的摩尔 压力的增大而减小，如图4所示.随着压力的增大，枝 体积差△V是负值，合金的凝固点温度随着压力的提 晶臂平均长度显著减小，当压力为75MPa时，枝晶臂 高而升高，在相同冷却条件下加压等于增加了过冷度 尺寸达到313um:压力继续增大到100MPa时，枝晶 过冷度越大，晶粒尺寸越小.因此，随着压力增大晶粒 尺寸没有明显减小.对一次枝晶臂长度随压力变化 尺寸单调减小的趋势是可以理解的 的实验结果进行曲线拟合发现，一次枝晶臂长度随 T.T.Av (2) 压力增大呈现负指数规律减小，服从下式所示的负 dp △H 指数规律. 式中，dT,为压力变化引起的平衡温度变化，dp为压力

工程科学学报，第 39 卷，第 7 期 拉伸试样依据 GB / T 228—2002 加工 5 mm 的标准试 样，利用德国 ZWICK Z100 型电子万能材料试验机进 行力学性能测试，拉伸速率 2 mm·min － 1，测试结果取 3 个数据的平均值． 定量金相分析依据 GB / T 15749—2008 执行，将金 相照片导入 Image--Pro--Plus 软件进行图像的采集、分 析及定量计算． 具体过程包括图像采集、灰度、图像预 处理、二值化处理、人工编辑图像和图像测定． 测量获 得一次枝晶平均长度 LD和富铁相平均尺寸 LI ; 截线法 测量二次枝晶间距平均尺寸 DS，如图 2 所示． 根据相 体积分数三维特征参数与金相组织二维信息之间的定 量关系［17］，VV = AA = LL = PP ( VV为被测相体积分数; AA 为单位测量面积内被测相所占面积，即二维金相组织 信息中面积分数; LL为单位测量线上被测相的长度; PP 为被测总点数和落入被测相内点数之比) ，通过测量 二维金相组中共晶组织面积分数和气孔面积分数，从 而获得共晶组织体积分数 VE和气孔率 VP ． 图 2 截线法测量二次枝晶间距( SDAS) ［18］ Fig． 2 Secondary dendrite arm spacing measured by the intercept method 2 结果与讨论 不同压力下试件相同位置的纵截面低倍组织如 图 3 所示，都由白亮树枝晶、位于枝晶间的灰黑色共晶 组织以及黑色的气孔缺陷三部分组成，但是，压力不 同，这些组织的尺寸和数量存在明显的差异． 图 3 不同压力下的铸态低倍组织 . ( a) 0 MPa( 重力铸造) ; ( b) 25 MPa; ( c) 50 MPa; ( d) 75 MPa; ( e) 100 MPa Fig． 3 Macrostructures under different pressures: ( a) 0 MPa ( gravity casting) ; ( b) 25 MPa; ( c) 50 MPa; ( d) 75 MPa; ( e) 100 MPa 2. 1 压力对铝合金初生相尺寸的影响规律 比较图 3( a) 和( d) 可见，挤压铸造件的初生 α 枝 晶比重力铸造件明显细小． 重力铸造条件下，一次枝 晶臂平均长度为 914 μm; 而 75 MPa 压力下的挤压铸造 件，一次枝晶臂平均长度只有 313 μm，减小了约 2 /3． 挤压铸造条件下，不同压力时的一次枝晶臂长度随着 压力的增大而减小，如图 4 所示． 随着压力的增大，枝 晶臂平均长度显著减小，当压力为 75 MPa 时，枝晶臂 尺寸达到 313 μm; 压力继续增大到 100 MPa 时，枝晶 尺寸没有明显减小． 对一次枝晶臂长度随压力变化 的实验结果进行曲线拟合发现，一次枝晶臂长度随 压力增大呈现负指数规律减小，服从下式所示的负 指数规律． LD = 678. 79exp( － p/37. 74) + 252. 19 ( Ｒ2 = 0. 9743) ． ( 1) 式中: LD为一次枝晶臂长度，μm; p 为压力，MPa． 这一规律可以根据压力下结晶形核理论得到解 释: 首先，根据如式( 2) 所示的 Clausius--Clapeyron 方 程［13］可知，挤压铸造的凝固过程中，固液两相的摩尔 体积差 ΔV 是负值，合金的凝固点温度随着压力的提 高而升高，在相同冷却条件下加压等于增加了过冷度． 过冷度越大，晶粒尺寸越小． 因此，随着压力增大晶粒 尺寸单调减小的趋势是可以理解的． dTp dp = － Tm ΔV ΔH ． ( 2) 式中，dTp为压力变化引起的平衡温度变化，dp 为压力 · 2201 ·

于佰水等：压力对A380铝合金的铸造组织和力学性能的影响 ·1023· 1000 明显，共晶组织的成分范围变宽，即共晶共生区扩大， 因此共晶组织含量变高. 2.3压力对挤压铸造A380铝合金气孔率的影响 800 对图3中的气孔缺陷进行定量分析，可以发现，随 赵 着压力的增大，试件中的气孔率也呈现单调下降趋势， 600 如图6所示.重力铸造条件下，试件中的气孔率高达 4.91%;当压力达到75MPa时气孔率降至1.23%：继 400 续增压到100MPa时气孔率不发生明显变化.压力对 气孔率的影响规律可以拟合为下式所示的指数规律. 200 0 25 0 75 100 Vn=4.15exp(-p/34.41)+0.88(R2=0.9536). 压力/MPa (4) 图4不同压力下铸态组织一次枝品臂长度 式中：p为压力，MPa:V为气孔率. Fig.4 Dendrite arm length under various pressures 气孔率随压力增大而降低，这是因为随着压力的 变化量，Tm为平衡温度，△H为结晶潜热，△V为体积 增大，气孔被压缩，孔隙率随压力的提高而急剧减小是 差.此外，压力使得合金的流动性加强，长大的枝晶容 很好理解的.气孔内的压力随着其体系的收缩而成比 易被残余液相的流动破碎形成新的晶核，促进了非自 例地增大，当压力增加到一定幅度时，挤压铸造试件内 发形核，也会细化晶粒：加之，压力促使熔体紧贴铸型 的气孔内压力与外加挤压力平衡，因此，气孔率出现一 壁，从而消除因熔体收缩和铸型膨胀产生的间隙，提高 个最先临界值.此外，当压力增加到一定水平时，形核 了界面传热系数，增大冷却速度.这两方面的作用结 率显著增高，凝固方式呈现出大范围的同时凝固，将气 果使晶粒尺寸随压力的变化表现出复杂的非线性规律. 孔挤至晶粒间界的显微区域，欲将这些气孔压合，需要 2.2压力对铝合金共晶组织数量的影响规律 大量的晶粒发生塑性变形.根据塑性变形的剪应力定 从图3可以直观看出，随着压力的增大，挤压铸造 律，只有当外加压力大于工件内部的临界剪应力时，材 A380铝合金共晶组织体积分数呈显著单调递增规律， 料才能发生塑性变形.实验条件下的压力75MP是 如图5所示.重力铸造条件（压力为0MPa)下，共晶组 根据压机提供的压力计算出来的压强，真正作用在合 织体积分数为22.5%：而100MPa压力下的挤压铸造 金材料上的压强远小于此值，完全有可能达不到塑性 试件共晶组织体积分数增至41.36%.压力与对应条 变形所需的临界值，因此，这些微小的孔洞不能被 件下的共晶组织体积分数之间的相关关系如图5所 压合 示.回归分析发现，挤压铸造A380铝合金中共晶组织 体积分数随压力增加满足下式所示规律. VE=22.62-0.18p+0.008p2-4.73e5p3 (R2=0.9772) (3) 4 式中：p为压力，MPa:V为共晶组织体积分数.这一规 律可以从凝固原理中找到根据.如前所述，由于压力 增加提高了过冷度和冷却速度，非平衡凝固特征愈加 40 25 0 75 100 35 压力/MPa 图6不同压力下组织的气孔率 30 Fig.6 Porosity rate of various pressures 2.4压力对二次枝晶臂间距的影响 挤压铸造试件的显微组织比重力铸造也有明显的 改善，如图7所示.除一次枝晶臂得到细化外，二次枝 0 25 50 75 100 压力/MPa 晶臂间距也得到了显著细化和改善. 图5不同压力下共品组织体积分数 定量金相分析得到，重力铸造下二次枝晶间距为 Fig.5 Eutectic structure volume fraction under various pressures 39μm:挤压铸造条件下随着压力增加，二次枝晶间距

于佰水等: 压力对 A380 铝合金的铸造组织和力学性能的影响 图 4 不同压力下铸态组织一次枝晶臂长度 Fig． 4 Dendrite arm length under various pressures 变化量，Tm 为平衡温度，ΔH 为结晶潜热，ΔV 为体积 差． 此外，压力使得合金的流动性加强，长大的枝晶容 易被残余液相的流动破碎形成新的晶核，促进了非自 发形核，也会细化晶粒; 加之，压力促使熔体紧贴铸型 壁，从而消除因熔体收缩和铸型膨胀产生的间隙，提高 了界面传热系数，增大冷却速度． 这两方面的作用结 果使晶粒尺寸随压力的变化表现出复杂的非线性规律． 图 5 不同压力下共晶组织体积分数 Fig． 5 Eutectic structure volume fraction under various pressures 2. 2 压力对铝合金共晶组织数量的影响规律 从图 3 可以直观看出，随着压力的增大，挤压铸造 A380 铝合金共晶组织体积分数呈显著单调递增规律， 如图 5 所示． 重力铸造条件( 压力为 0 MPa) 下，共晶组 织体积分数为 22. 5% ; 而 100 MPa 压力下的挤压铸造 试件共晶组织体积分数增至 41. 36% ． 压力与对应条 件下的共晶组织体积分数之间的相关关系如图 5 所 示． 回归分析发现，挤压铸造 A380 铝合金中共晶组织 体积分数随压力增加满足下式所示规律． VE = 22. 62 － 0. 18p + 0. 008p 2 － 4. 73e － 5 p 3 ( Ｒ2 = 0. 9772) ． ( 3) 式中: p 为压力，MPa; VE为共晶组织体积分数． 这一规 律可以从凝固原理中找到根据． 如前所述，由于压力 增加提高了过冷度和冷却速度，非平衡凝固特征愈加 明显，共晶组织的成分范围变宽，即共晶共生区扩大， 因此共晶组织含量变高． 2. 3 压力对挤压铸造 A380 铝合金气孔率的影响 对图 3 中的气孔缺陷进行定量分析，可以发现，随 着压力的增大，试件中的气孔率也呈现单调下降趋势， 如图 6 所示． 重力铸造条件下，试件中的气孔率高达 4. 91% ; 当压力达到 75 MPa 时气孔率降至 1. 23% ; 继 续增压到 100 MPa 时气孔率不发生明显变化． 压力对 气孔率的影响规律可以拟合为下式所示的指数规律． VP = 4. 15exp( － p /34. 41) + 0. 88 ( Ｒ2 = 0. 9536) ． ( 4) 式中: p 为压力，MPa; VP为气孔率． 气孔率随压力增大而降低，这是因为随着压力的 增大，气孔被压缩，孔隙率随压力的提高而急剧减小是 很好理解的． 气孔内的压力随着其体系的收缩而成比 例地增大，当压力增加到一定幅度时，挤压铸造试件内 的气孔内压力与外加挤压力平衡，因此，气孔率出现一 个最先临界值． 此外，当压力增加到一定水平时，形核 率显著增高，凝固方式呈现出大范围的同时凝固，将气 孔挤至晶粒间界的显微区域，欲将这些气孔压合，需要 大量的晶粒发生塑性变形． 根据塑性变形的剪应力定 律，只有当外加压力大于工件内部的临界剪应力时，材 料才能发生塑性变形． 实验条件下的压力 75 MPa 是 根据压机提供的压力计算出来的压强，真正作用在合 金材料上的压强远小于此值，完全有可能达不到塑性 变形所 需 的 临 界 值，因 此，这 些 微 小 的 孔 洞 不 能 被 压合． 图 6 不同压力下组织的气孔率 Fig． 6 Porosity rate of various pressures 2. 4 压力对二次枝晶臂间距的影响 挤压铸造试件的显微组织比重力铸造也有明显的 改善，如图 7 所示． 除一次枝晶臂得到细化外，二次枝 晶臂间距也得到了显著细化和改善． 定量金相分析得到，重力铸造下二次枝晶间距为 39 μm; 挤压铸造条件下随着压力增加，二次枝晶间距 · 3201 ·

·1024· 工程科学学报，第39卷，第7期 图7不同压力下的铸态显微组织.(a)0MPa(重力铸造)：(b)75MPa(挤压铸造) Fig.7 Microstructures under different pressures:(a)0 MPa (gravity casting):(b)75 MPa (squeeze casting) 在100MPa时达到18μm.二次枝晶间距随压力变化 的规律如图8所示，服从下式所示的单调递减的规律. Ds=26.98exp(-p/60.06)+11.55(R2=0.9583). 35 (5) 30 式中，D为二次枝晶间距，um.这一规律与如下式所 示的二次枝晶臂间距与冷却速度的关系吻合 25 Ds=k (Ge)-". (6) 120 式中，k,和a为常数，G为温度梯度，e为冷却速度.挤 压铸造过程中，压力的增大有效地增加了界面传热系 15 数，从而使冷却速度ε增大，因此随着压力的增大，二 25 50 75 100 压力/MPa 次枝晶臂间距减小. 2.5压力对挤压铸造A380铁相形貌的影响 图8不同压力下二次枝品间距 高倍镜下清楚的观察到不同压力下晶界间显微组 Fig.8 Secondary dendrite arm spacing of various pressures 织的尺寸和形貌变化.经能谱分析表明，图9(a)和 (d)中汉字状为Als(Fe,Mn),Si2相. (b)中晶界间长针状的相为BAL,FeSi相，图9(c)和 B-AlsFeSi相尺寸随压力的增加也得到明显的细 (a) (b) B-AL,FeSi相 20m 0四 d 细针状邓-A,Fesi相 汉字状富Fe相 -B-A.FeS相 220四 0四 图9不同压力下铁相.(a,b)0MPa(重力铸造)：(c,d)75MPa(挤压铸造) Fig.9 Fe phase of various pressures:(a,b)0 MPa (gravity casting);(c,d)75 MPa (squeeze casting)

工程科学学报，第 39 卷，第 7 期 图 7 不同压力下的铸态显微组织． ( a) 0 MPa( 重力铸造) ; ( b) 75 MPa( 挤压铸造) Fig． 7 Microstructures under different pressures: ( a) 0 MPa ( gravity casting) ; ( b) 75 MPa ( squeeze casting) 在 100 MPa 时达到 18 μm． 二次枝晶间距随压力变化 的规律如图 8 所示，服从下式所示的单调递减的规律． DS = 26. 98exp( － p /60. 06) + 11. 55 ( Ｒ2 = 0. 9583) ． ( 5) 式中，DS为二次枝晶间距，μm． 这一规律与如下式所 示的二次枝晶臂间距与冷却速度的关系［3］吻合． DS = k1 ( Gε) － a ． ( 6) 式中，k1和 a 为常数，G 为温度梯度，ε 为冷却速度． 挤 压铸造过程中，压力的增大有效地增加了界面传热系 数，从而使冷却速度 ε 增大，因此随着压力的增大，二 次枝晶臂间距减小． 图 9 不同压力下铁相． ( a，b) 0 MPa ( 重力铸造) ; ( c，d) 75 MPa( 挤压铸造) Fig． 9 Fe phase of various pressures: ( a，b) 0 MPa ( gravity casting) ; ( c，d) 75 MPa ( squeeze casting) 2. 5 压力对挤压铸造 A380 铁相形貌的影响 高倍镜下清楚的观察到不同压力下晶界间显微组 织的尺寸和形貌变化． 经能谱分析表明，图 9 ( a) 和 ( b) 中晶界间长针状的相为 β-Al5 FeSi 相，图 9 ( c) 和 图 8 不同压力下二次枝晶间距 Fig． 8 Secondary dendrite arm spacing of various pressures ( d) 中汉字状为 Al8 ( Fe，Mn) 3 Si2相． β-Al5FeSi 相尺寸随压力的增加也得到明显的细 · 4201 ·

于佰水等：压力对A380铝合金的铸造组织和力学性能的影响 ·1025· 化.重力铸造条件下，BFe相长度为46um,而挤压铸 基本稳定不变，压力的增加对合金的抗拉强度提高没 造条件下，BFe相长度为13μm,减小了72%.定量金 有明显作用：压力大于75MPa时，继续增加压力对于 相分析结果如图10所示，随着压力的增大，晶界处的 合金的综合性能意义不大，反而会浪费能源，同时使模 针状富铁相也成减小的规律.回归分析得到下式所示 具寿命降低，因此该合金的合适压力为75MPa. 的多项式规律 350 15 L1=46.04+0.14p-0.02p2+1.21ep3 @抗拉强度/MPa 300 ☑延伸率/% 3.0 (R2=0.9913). (7) 250 25 式中，L,为二次枝晶间距，um.在75MPa时，BFe相变 得分散和细小，且部分BFe相呈断续状，有溶解的趋 200 2.0 势，同时出现汉字状的富铁相，可见压力继续增大，B- 150 Fe相可能消失. 1.0 50 0.5 0(重力铸造) 25 5075挤压铸造)100 压力/MPa 图11压力对A380合金力学性能的影响 Fig.11 Influence of pressure on the A380 alloy mechanical proper- ties 3 结论 (1)挤压铸造A380铝合金的组织明显优于重力 25 50 75 100 铸造.当压力为0~75MP时，一次枝晶尺寸随压力增 压力/MPa 加而逐渐减小：共晶组织体积分数增加：气孔率降低； 图10不同压力下BFe相尺寸 二次枝晶间距得到明显细化，针状富铁BAL,FeSi相尺 Fig.10 Sizes of the B-Fe phase of various pressures 寸大幅减小，同时有部分汉字状aFe相生成.而75~ 同样根据压力凝固理论可以解释这一规律，在挤 100MPa时，压力效果影响不大，力学性能保持稳定. 压铸造过程中，随着压力增大，合金的冷却速度加快， (2)挤压铸造过程中，随着压力增加，一次枝晶臂 导致相析出时的过冷度增大圆.因此富铁相形核数 长度服从式(1)所示的负指数减小规律：共晶组织体 目增多，从而使Fe相变得细小，分布均匀.而汉字状 积分数满足式(3)所示单调递增规律：对气孔率的影 的富Fe相为立方晶格，与针状BFe相的四方晶格相 响可以拟合为式(4)所示的指数规律：二次枝晶间距 比，汉字状的富M铁相形核和长大更容易，也更快， 服从式(5)所示的单调递减的规律：BFe相尺寸满足 因而更容易形成汉字状的富M铁相.可见，挤压压力 式(7)所示的单调递减多项式规律. 可以改善合金中金属间化合物的形态和分布，降低F (3)挤压铸造A380铝合金的铸态抗拉强度和伸 相的有害影响，降低材料含Fe量的要求. 长率分别比重力铸造提高19%和65%. 2.6压力对挤压铸造A380力学性能的影响 压力对于A380铸态合金的抗拉强度和延伸率产 参考文献 生显著影响，重力条件下铸态合金的平均抗拉强度为 209MPa,而压力增加至75MPa时，抗拉强度提高到 [Suwanpinij P,Kitkamthomn U,Diewwanit I,et al.Influence of copper and iron on solidification characteristics of 356 and 380- 249MPa,提高了19%；合金的平均延伸率从0MPa的 type aluminum alloys.Mater Trans,2003,44 (5):845 1.53%增加到100MPa下的2.53%，提高了65%，如图 2] Voncina M,Mrvar P,Petric M,et al.Microstructure and grain 11所示.压力提高力学性能的结果与压力对组织的影 refining performance of Ce on A380 alloy.J Min Metall,Sect B: 响规律有很好的对应关系.由于重力条件下试件内部 Meal,2012,48(2):265 粗大枝晶、BFe相以及气孔缺陷的存在，使得合金力 Karamouz M,Azarbarmas M,Emamy M,et al.Microstructure, 学性能较低.压力为75MPa时，一次枝晶臂长度仅为 hardness and tensile properties of A380 aluminum alloy with and 重力条件下的1/3，且枝晶间气孔的缺陷减少，针状β- without Li additions.Mater Sci Eng A,2013,582:409 [4]Lus H M,Turkeli A,Kinikoglu N G.Swage casting A380 alloy. Fe相形成受抑制，因此力学性能得到显著提高.当压 Mater Des,2011,32(6):3570 力为75~100MPa时，由于组织无明显细化，且气孔率 [5]Kim J H,Yoon E P.Elimination of Fe element in A380 aluminum

于佰水等: 压力对 A380 铝合金的铸造组织和力学性能的影响 化． 重力铸造条件下，β-Fe 相长度为 46 μm，而挤压铸 造条件下，β-Fe 相长度为 13 μm，减小了 72% ． 定量金 相分析结果如图 10 所示，随着压力的增大，晶界处的 针状富铁相也成减小的规律． 回归分析得到下式所示 的多项式规律． LI = 46. 04 + 0. 14p － 0. 02p 2 + 1. 21e － 4 p 3 ( Ｒ2 = 0. 9913) ． ( 7) 式中，LI为二次枝晶间距，μm． 在 75 MPa 时，β-Fe 相变 得分散和细小，且部分 β-Fe 相呈断续状，有溶解的趋 势，同时出现汉字状的富铁相，可见压力继续增大，β- Fe 相可能消失． 图 10 不同压力下 β-Fe 相尺寸 Fig． 10 Sizes of the β-Fe phase of various pressures 同样根据压力凝固理论可以解释这一规律，在挤 压铸造过程中，随着压力增大，合金的冷却速度加快， 导致相析出时的过冷度增大［13］． 因此富铁相形核数 目增多，从而使 Fe 相变得细小，分布均匀． 而汉字状 的富 Fe 相为立方晶格，与针状 β-Fe 相的四方晶格相 比，汉字状的富 Mn 铁相形核和长大更容易，也更快， 因而更容易形成汉字状的富 Mn 铁相． 可见，挤压压力 可以改善合金中金属间化合物的形态和分布，降低 Fe 相的有害影响，降低材料含 Fe 量的要求． 2. 6 压力对挤压铸造 A380 力学性能的影响 压力对于 A380 铸态合金的抗拉强度和延伸率产 生显著影响，重力条件下铸态合金的平均抗拉强度为 209 MPa，而压力增加至 75 MPa 时，抗拉强度提高到 249 MPa，提高了 19% ; 合金的平均延伸率从 0 MPa 的 1. 53% 增加到 100 MPa 下的 2. 53% ，提高了 65% ，如图 11 所示． 压力提高力学性能的结果与压力对组织的影 响规律有很好的对应关系． 由于重力条件下试件内部 粗大枝晶、β-Fe 相以及气孔缺陷的存在，使得合金力 学性能较低． 压力为 75 MPa 时，一次枝晶臂长度仅为 重力条件下的 1 /3，且枝晶间气孔的缺陷减少，针状 β- Fe 相形成受抑制，因此力学性能得到显著提高． 当压 力为 75 ～ 100 MPa 时，由于组织无明显细化，且气孔率 基本稳定不变，压力的增加对合金的抗拉强度提高没 有明显作用; 压力大于 75 MPa 时，继续增加压力对于 合金的综合性能意义不大，反而会浪费能源，同时使模 具寿命降低，因此该合金的合适压力为 75 MPa． 图 11 压力对 A380 合金力学性能的影响 Fig． 11 Influence of pressure on the A380 alloy mechanical proper￾ties 3 结论 ( 1) 挤压铸造 A380 铝合金的组织明显优于重力 铸造． 当压力为0 ～ 75 MPa 时，一次枝晶尺寸随压力增 加而逐渐减小; 共晶组织体积分数增加; 气孔率降低; 二次枝晶间距得到明显细化，针状富铁 β-Al5FeSi 相尺 寸大幅减小，同时有部分汉字状 α-Fe 相生成． 而 75 ～ 100 MPa 时，压力效果影响不大，力学性能保持稳定． ( 2) 挤压铸造过程中，随着压力增加，一次枝晶臂 长度服从式( 1) 所示的负指数减小规律; 共晶组织体 积分数满足式( 3) 所示单调递增规律; 对气孔率的影 响可以拟合为式( 4) 所示的指数规律; 二次枝晶间距 服从式( 5) 所示的单调递减的规律; β-Fe 相尺寸满足 式( 7) 所示的单调递减多项式规律． ( 3) 挤压铸造 A380 铝合金的铸态抗拉强度和伸 长率分别比重力铸造提高 19% 和 65% ． 参 考 文 献 ［1］ Suwanpinij P，Kitkamthorn U，Diewwanit I，et al． Influence of copper and iron on solidification characteristics of 356 and 380- type aluminum alloys． Mater Trans，2003，44 ( 5) : 845 ［2］ Voncina M ˇ ，Mrvar P，Petric Mˇ ，et al． Microstructure and grain refining performance of Ce on A380 alloy． J Min Metall，Sect B: Metall，2012，48( 2) : 265 ［3］ Karamouz M，Azarbarmas M，Emamy M，et al． Microstructure， hardness and tensile properties of A380 aluminum alloy with and without Li additions． Mater Sci Eng A，2013，582: 409 ［4］ Lus H M，Turkeli A，Kinikoglu N G． Swage casting A380 alloy． Mater Des，2011，32( 6) : 3570 ［5］ Kim J H，Yoon E P． Elimination of Fe element in A380 aluminum · 5201 ·

·1026· 工程科学学报，第39卷，第7期 alloy scrap by electromagnetic force.J Mater Sci Lett,2000,19 tional Defense Industry Press,2011 (3):253 (邢书明，鲍培玮.金属液态模锻.北京：国防工业出版社， [6]Seifeddine S,Svensson I L.The influence of Fe and Mn content 2011) and cooling rate on the microstructure and mechanical properties of D3] Ghomashchi M R,Vikhrov A.Squeeze casting:an overview.J A380-die casting alloys.Metall Sci Technol,2009,27(1):11 Mater Process Technol,2000,101(13)1 [7]Shabestari S G,Keshavarz M,Hejazi MM.Effect of strontium on [14]Lin B,Zhang WW,Lou Z H,et al.Comparative study on mi- the kinetics of formation and segregation of intermetallic com- crostructures and mechanical properties of the heat-treated Al- pounds in A380 aluminum alloy.J Alloys Compd,2009,477 (1- 5.0Cu-0.6Mn-xFe alloys prepared by gravity die casting and 2):892 squeeze casting.Mater Des,2014,59:10 [8]Parshizfard E,Shabestari S G.An investigation on the microstruc- [15]Dai W,Wu S S,Lii S L,et al.Effects of rheo-squeeze casting tural evolution and mechanical properties of A380 aluminum alloy parameters on microstructure and mechanical properties of Al- during SIMA process.J Alloys Compd,2011,509(40):9654 CuMnTi alloy.Mater Sci Eng A,2012,538:320 9]Irizalp S G,Saklakoglu N.Effect of Fe-rich intermetallics on the [16]Guo L J,Xing S M,Bao P W,et al.Effect of process parame- microstructure and mechanical properties of thixoformed A380 alu- ters on Si segregation in an aluminum alloy during squeeze cast- minum alloy.Eng Sci Technol,Int J,2014,17(2):58 ing.Chin J Eng,2016,38(2):257 [10]Liu Z Y,Mao W M,Wang W P,et al.Microstructure evolution (郭莉军，邢书明，鲍培玮，等.间接挤压铸造工艺参数对铝 of the A380 aluminum alloy semi-solid slurry prepared by serpen- 合金中Si偏析的影响.工程科学学报，2016,38(2)：257) tine channel.Chin J Eng,2016,38(2):263 [17]Qin G Y.Quantitative Metallography.Chengdu:Sichuan Science (刘志勇，毛卫民，王伟番，等.蛇形通道制备半固态A380 and Technology Press,1987 铝合金浆料组织的演变.工程科学学报，2016,38(2)： (秦国友.定量金相.成都：四川科学技术出版社，1987) 263) [18]Wu Y H.Li YT,Jia L,et al.Effect of cooling rate on seconda- 1]Luo S J.Chen BG.Qi P X.Liquid Forging and Squeese Cast- ry dendrite arm spacing and crack defects of 42CrMo casting.J ing.Beijing:Chemical Industry Press,2007 Mech Eng,2014,50(16):104 (罗守靖，陈炳光，齐不骧.液态模锻与挤压铸造技术.北 (武永红，李永堂，贾璐，等.冷却速度对42CMo环坯铸造 京：化学工业出版社，2007) 二次枝晶臂间距及裂纹缺陷的影响.机械工程学报，2014， [12]Xing S M,Bao P W.Melted Metal Die Forging.Beijing:Na- 50(16):104)

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