简介概要

合金元素对Al-Cu合金热裂倾向的影响

来源期刊：中国有色金属学报2001年第5期

论文作者：李元元郭国文张卫文罗宗强

文章页码：791 - 795

关键词：热裂； Al-Cu合金； Zr； V

Key words：hot tearing; Al-Cu alloy; zirconium; vanadium

摘要：为寻求一种低热裂倾向的高强韧铸造铝合金材料，研究了Cu， Zr和V 3种元素对Al-Cu合金热裂倾向的影响。结果表明，V明显降低材料的热裂倾向; Zr含量低时轻微增大合金的热裂倾向，含量高时强烈增大热裂倾向；在4.5%～5.5%范围内Cu增大热裂倾向。Zr和V对合金热裂倾向的不同影响在于V主要存在于晶内，而Zr则部分存在于晶界。

Abstract: In order to search a high strength， high toughness alloy with low hot tearing trend， effects of alloying elements copper， zirconium and vanadium on hot tearing trends of Al-Cu alloy were studied. Results show that vanadium can reduce the hot tearing trend evidently; zirconium increases hot tearing trend slightly in low content and strongly in high content; copper increases hot tearing trend with a medium degree in the range of 4.5%～5.5%. Different effects of zirconium on hot tearing trends lie on that vanadium locates in the inner of crystal cell but part of zirconium locates on the interface of the crystal cell.

DOI:10.19476/j.ysxb.1004.0609.2001.05.011

合金元素对Al-Cu合金热裂倾向的影响

李元元郭国文张卫文罗宗强

华南理工大学机电系

华南理工大学机电系广州510640

摘要：

为寻求一种低热裂倾向的高强韧铸造铝合金材料 , 研究了Cu , Zr和V 3种元素对Al Cu合金热裂倾向的影响。结果表明 , V明显降低材料的热裂倾向 ;Zr含量低时轻微增大合金的热裂倾向 , 含量高时强烈增大热裂倾向 ;在 4.5 %～ 5 .5 %范围内Cu增大热裂倾向。Zr和V对合金热裂倾向的不同影响在于V主要存在于晶内 , 而Zr则部分存在于晶界

关键词：

热裂;Al-Cu合金;Zr;V;

中图分类号： TG146.21

收稿日期：2000-11-27

基金：国防预研基金资助项目 ( [99]装计字第 792 );

Effects of alloying elements on hot tearing trends of Al-Cu alloy

Abstract：

In order to search a high strength, high toughness alloy with low hot tearing trend, effects of alloying elements copper, zirconium and vanadium on hot tearing trends of Al Cu alloy were studied. Results show that vanadium can reduce the hot tearing trend evidently; zirconium increases hot tearing trend slightly in low content and strongly in high content; copper increases hot tearing trend with a medium degree in the range of 4.5%～5.5%. Different effects of zirconium on hot tearing trends lie on that vanadium locates in the inner of crystal cell but part of zirconium locates on the interface of the crystal cell.

Keyword：

hot tearing; Al Cu alloy; zirconium; vanadium;

Received： 2000-11-27

现已工业化生产的高强韧铸造铝合金 (σ_b≥400 MPa, δ₅≥8%) 几乎全是Al-Cu系合金。 Al-Cu系合金属于固溶型, 其结晶间隔宽, 铸造性能差, 铸造过程中易出现热裂、疏松、偏析等缺陷。 Al-Cu系合金多用于带冷铁的砂型铸造, 较少用于金属型铸造。但是, 砂型铸造存在着严重的缺点, 即凝固时间长、晶粒粗大, 力学性能低。成形性能差严重制约了Al-Cu系高强韧铸造合金的应用范围。为了克服这一致命弱点, 人们从提高材料的铸造性能和开发材料新的成形技术两方面进行了大量的研究。对Al-Cu系合金热裂的机理和影响因素有较为详尽的研究 ^[1,2,3,4,5] 。多位学者的研究结果表明 ^[6,7,8,9] , 稀土能明显地降低Al-Cu系合金的热裂倾向。但是, 稀土在降低热裂倾向的同时也大大地降低合金的塑性。鉴于本课题的宗旨是寻求高强韧的合金, 所以舍弃了稀土作为合金的组成元素。作者研究了合金元素Cu, Zr, V对Al-Cu合金热裂倾向的影响规律, 以寻求一种适合挤压铸造且热裂倾向较小的高强韧铸造铝合金材料。

1 实验

1.1 基础合金和合金化元素的选择

法国牌号A-U5GT是一种Al-Cu系高强韧铸造铝合金, 在欧洲和美国得到了广泛的应用。它的组成简单, 强度和韧性都较好, 但铸造性能较差。在工业生产条件下, 它的力学性能可以达到σ_b=340～385 MPa, δ₅=5.5%～11% (T5) ^[10] 。为了进一步提高材料的强度和韧性, 改善铸造性能, 我们在A-U5GT的基础上开发出一种高强韧铸造铝合金材料, 代号为HA合金。 HA铝基合金的合金元素主要有Cu, Mg, Mn, Zr, V, Ti, B等。

1.2 试验方法

进行正交试验, 以探讨Zr, V, Cu 3种元素不同的含量水平及其交互作用对合金热裂倾向的影响规律, 确定热裂倾向较小的HA合金的成分范围。 Zr, V, Cu三因素各占一列, 根据正交试验的要求安排一个空列 (误差列) , 表1是正交试验因素水平表。

表1 正交试验因素水平表

Table 1 Factors and levels of orthogonal test

Levels	Factors
Levels	A, w (Zr) /%	B, w (V) /%	C, w (Cu) /%
1	0.13	0	5.0
2	0.20	0.25	4.5
3	0	0.13	5.5

1.2.1 熔炼工艺

合金在石墨坩埚电阻炉中熔炼, 每炉熔炼5 kg, 浇注热裂环试样两箱, 金属型力学性能试棒6～7根。 Mg用纯金属, Cu, Mn, Zr, V, Ti, B均配成中间合金。 Al-Mn, Al-Zr, Al-V与纯铝同时室温装炉; 720 ℃时加Al-Cu, 740 ℃时加Al-Ti-B后搅拌3 min。 730～740 ℃时精炼除气 (精炼剂为商品精炼剂) , 静置8 min, 除渣, 加少量覆盖剂, 加Mg, 静置5 min, 搅拌均匀后在730℃浇注热裂环试样一箱, 浇注金属型力学性能试样3模 (每模1根) , 再浇注热裂环试样一箱, 余下的浇注力学性能试样。

1.2.2 热裂倾向测试

热裂环的测试方法参照文献 [ 11] , 试验所用的试样铸型结构见图1。在砂箱中造4个厚5 mm、直径d108 mm的圆盘型腔, 并在各自的中心分别安置钢芯, 其尺寸大小及变化决定了热裂环的宽度在5.0～42.5 mm间变化, 间隔为2.5 mm。在对着内浇道的外型中安置冷铁, 以使环在内浇道对面或附近, 即合金最后凝固的这些部位形成热裂。试验时依照合金的性质和成分选取钢芯的适当尺寸, 并逐次增大钢芯尺寸进行浇注, 首先出现热裂纹的环宽度代表热裂倾向, 数值越大, 对热裂越敏感。

图1 热裂环测试简图

Fig.1 Sketch of hot tearing rings test1—Samples; 2—Chillers; 3—Steel cores; 4—Sprue

2 实验结果

试验结果及数据处理见表2, 由表2可见, 16^#, 12^#两组的试验结果较好。三因素对热裂倾向影响作用强弱的次序为: A (Zr) >B (V) >C (Cu) , 空列的影响最小。

Zr增大Al-Cu合金的热裂倾向。当Zr的含量较低时, 仅轻微增大热裂倾向; 当Zr的含量较高 (0.20%) 时, 明显增大Al-Cu合金的热裂倾向。

V明显降低Al-Cu合金的热裂倾向。 V含量在0.13%左右时强烈降低热裂倾向; 含量继续增加, 降低热裂倾向的效果下降。

表2 正交试验结果表

Table 2 Result of orthogonal test

Experiment No.	A (Zr)	Blank	B (V)	C (Cu)	Width of hot tearing ring/mm
15^#	1	1	1	1	22.5
12^#	1	2	2	2	18.8
10^#	1	3	3	3	20.0
18^#	2	1	2	3	25.0
17^#	2	2	3	1	22.5
14^#	2	3	1	2	23.8
16^#	3	1	3	2	17.5
13^#	3	2	1	3	21.3
11^#	3	3	2	1	20.0
					Average:21.3
K_1j	61.3	65.0	67.5	65.0
K_2j	71.3	62.5	63.8	60.0
K_3j	58.8	63.8	60.0	66.3
[K_1j]	20.4	21.7	22.5	21.7
[K_2j]	23.8	20.8	21.3	20.0
[K_3j]	19.6	21.3	20.0	22.1
R_j	12.5	2.5	7.5	6.3
Influencing order	1	4	2	3
Optimization	A3		B3	C2

K_ij=Sum of results of level i in column j; [K_ij]=K_ij/s, s is number of level i in column j; R_j=max_j{K_ij}-min_j{K_ij}

Cu对Al-Cu合金热裂倾向的影响规律是, 当Cu含量在4%～5%时热裂倾向最大, 超过5%热裂倾向降低 ^[11] 。但在本试验中Cu含量在5.0%时热裂倾向并未达到最大, 5.5%时最大, 4.5%时最小。不过, 5%和5.5%Cu的热裂倾向相差很小。出现这种结果可能与本试验中引入了Zr与V有关。

3 分析与讨论

HA合金铸态下的组织主要有α固溶体、 θ (Al₂Cu) 相、 T (Al₁₂Mn₂Cu) 相等。图2所示是其热裂环试样 (铸态) 的典型显微组织。

在Al-Cu合金中, Zr与V的作用表现为ZrAl₃和VAl₇能作为外来晶核细化晶粒 ^[11] 。文献 [ 12] 认为Al-Cu合金中加入细化剂能明显地降低合金的热裂倾向。由此可以推论, 同样作为细化剂的Zr和V应该降低Al-Cu合金的热裂倾向。本试验结果表明, V明显降低热裂倾向而Zr却有增大热裂倾向, 尤其是当Zr含量较高时, 这种趋势非常显著。

图2 HA合金的典型显微组织

Fig.2 Typical microstructure of HA alloy

图3～5所示是热裂环断口的SEM像。通过能谱仪对断口作微区成分分析。在14^#试样 (0.2%Zr-0%V-4.5%Cu) 和18^#试样 (0.2%Zr-0.25%V-5.5%Cu) 的热裂断口中检测到了Zr, 含量均为0.5%左右, 这说明有部分Zr存在于晶界。 Zr存在于深色球形或椭球形的相中, 外围是一圈裂缝, 形貌见图3 (a) , (b) 和图5 (a) , (b) 。表3列出了典型的含Zr点的能谱分析结果。从表3可以看出, 除Zr外还富集有O, Mg, Fe, K等元素, 其中Zr与杂质元素Fe, K, O的偏聚影响了合金的抗热裂性能。在16^#试样 (0%Zr-0.13%V-4.5%Cu) 的热裂断口点成分分析中没有检测到V, 面扫描也检测不到V; 在18^#试样中检测到了V, 但含量低于0.1%。因此有理由认为, 在本研究的成分范围内, V主要是存在于晶内, 作为外来晶核细化晶粒。断口形貌见图4。表4列出部分典型的被裂缝包围的球形微区的能谱分析结果, 从表4可以看出, 裂纹集中发生于一些富集Fe, Mg, O, Ca的相或夹杂物附近。

图3 14#试样的断口SEM像

Fig.3 SEM micrographs of hot fractured surface of sample 14^# (a) —Morphology of hot fractured surface; (b) —Zoom out of morphology

图4 16#试样的断口SEM像

Fig.4 SEM micrographs of hot fracture surface of sample 16^# (a) —Morphology of hot fractured surface; (b) —Zoom out of morphology

图5 18# 试样的断口SEM图片

Fig.5 SEM micrographs of hot fractured surface of sample 18^# (a) —Morphology of hot fractured surface; (b) —Zoom out of morphology

表3 14#试样热裂环断口的典型能谱分析结果 (%)

Table 3 Typical EDS results on hot tearing surface of sample 14^# (%)

Position	O	Cu		Mg		Al		Zr
Point 14-1	30.57	2.51		2.11		61.20		0.42
Point 14-2	32.52	4.12		1.85		55.43		0.62
Surface scan (14^#) (90?μm×70?μm)	3.68	5.70		2.18		85.90		-
Position	Si		K		Mn		Fe
Point 14-1	0.11		0.54		0.53		2.00
Point 14-2	0.17		0.46		1.08		3.70
Surface scan (14^#) (90?μm×70?μm)	-		-		1.13		1.40

表4 16#试样热裂环断口的典型能谱分析结果 (%)

Table 4 Typical EDS results on hot tearing surface of sample 16^# (%)

Position	O	Cu		Mg		Al		S
Point A	41.23	0.44		5.59		51.72		0.34
Point B	40.80	0.55		3.76		43.00		0.17
Point C	25.66	5.43		6.65		52.63		1.33
Point D	34.18	12.75		2.62		40.16		2.12
Surface scan (170?μm×140?μm)	9.35	6.60		2.04		79.48		0.14
Position	Ca		Ti		Mn		Fe
Point A	0. 69		-		-		-
Point B	0.51		-		0.69		10.52
Point C	-		8.30		-		-
Point D	0.72		-		-		3.45
Surface scan (170?μm×140?μm)	-		-		0.70		1.70

综上所述, 热裂环断口的裂纹源是一些富集Fe, Mg, O, K, Ca的相或夹杂物, 在含Zr的合金中还与Zr的富集有关。 Zr对合金热裂倾向的影响有两方面: 一方面Zr作为晶粒细化剂存在于晶内 ^[11] , 降低热裂倾向; 另一方面Zr在晶界富集, 与其他元素组成复杂的相或夹杂物, 形成断裂源, 强烈增大热裂倾向。当Zr的含量较低且合金中细化剂含量较低时, 前者起主导作用, 在一定程度上降低或不明显影响合金的热裂倾向; 当Zr的含量较高且合金中细化剂含量较高时, 后者起主导作用, 此时强烈增大合金的热裂倾向。在本研究中, 当含量较低 (0.13%) 时, V没有偏聚于晶界, 对热裂没有负面影响; 当含量较高 (0.25%) 时, 检测发现有微量V偏聚于晶界。在本研究的成分范围内, V主要存在于晶内细化晶粒, 因此有利于降低热裂倾向。关于Zr, V的存在形式及对热裂倾向影响的确切机理待进一步检测和分析后再作论述。