简介概要

4XXX系铝合金的锻造性能

来源期刊：中国有色金属学报2002年第2期

论文作者：林哲明陈永喆

文章页码：264 - 268

关键词：成形性能；挤压；连杆；锻造

Key words：formability; extrusion; connecting-rod; forging

摘要：对添加微量Sb元素的4XXX系列铝合金的铸造、挤压及锻造显微组织进行了观察。结果表明：铸造状态下的树枝状组织在挤压预热过程中形成了带有方向性的小结晶，之后再成长为显微结晶，观察到了变化为球状的结晶粒。锻造后，α相基体中除了共晶组成(11%～12.6%Si)外，还存在多角形初晶Si和Al₄Cu₉相。正是这些相的存在，提高了合金的高温强度。在凝固过程中，由于Mg的部分偏析，认为能析出Mg₂Si，有助于提高材料的耐热性能，并判断Al₄Cu₉相起维持高温强度的重要作用。用该材料制造的汽车连杆的平均硬度为Hv133，大体上能够满足实际需要(Hv137)。随着锻造温度的增加，变形抗力和加工应力减小，合金的成形性能得到提高。

Abstract: The microstructures of as-cast, extruded and forged 4XXX series Al alloy with addition of Sb were observed. The results show that dendrites in casting are converted into directional micro-crystals, and then recrystallize and grow into spheroidizing grains. After forging, in α-phase, polygonal proeutectic Si and Al₄Cu₉ are observed in addition to eutectic s(11%～12.6% Si). It is thought that proeutectic Si will improve the heat-resistance by forming Mg₂Si with Mg, and that Al₄Cu₉ will play an important role in maintaining the high temperature strength of the alloy. The average hardness of connecting-rod prepared by this material is Hv133, that almost satisfies the requirement. With the increase of forging temperature, the deformation resistance and stress for working are decreased, which brings about the improvement of formability.

DOI:10.19476/j.ysxb.1004.0609.2002.02.013

4XXX系铝合金的锻造性能

林哲民陈永喆

DepartmentofMetallurgicalEngineering

ChonbukNationalUniversity

664-14ducjindongducjinku

Chonju561-756

ResearchInstituteofAdvancedMaterialsDevelopment

Korea ChonbukUniversity

chnju561-756

摘要：

对添加微量Sb元素的 4XXX系列铝合金的铸造、挤压及锻造显微组织进行了观察。结果表明 :铸造状态下的树枝状组织在挤压预热过程中形成了带有方向性的小结晶 , 之后再成长为显微结晶 , 观察到了变化为球状的结晶粒。锻造后 , α相基体中除了共晶组成 (11%～ 12 .6 %Si) 外 , 还存在多角形初晶Si和Al4Cu9相。正是这些相的存在 , 提高了合金的高温强度。在凝固过程中 , 由于Mg的部分偏析 , 认为能析出Mg2 Si, 有助于提高材料的耐热性能 , 并判断Al4Cu9相起维持高温强度的重要作用。用该材料制造的汽车连杆的平均硬度为Hv133, 大体上能够满足实际需要 (Hv137) 。随着锻造温度的增加 , 变形抗力和加工应力减小 , 合金的成形性能得到提高

关键词：

成形性能;挤压;连杆;锻造;

中图分类号： TG319

收稿日期：2001-05-08

Forgeability of 4XXX series Al alloys

Abstract：

The microstructures of as cast, extruded and forged 4XXX series Al alloy with addition of Sb were observed. The results show that dendrites in casting are converted into directional micro crystals, and then recrystallize and grow into spheroidizing grains. After forging, in α phase, polygonal proeutectic Si and Al 4Cu 9 are observed in addition to eutectics (11%～12.6% Si) . It is thought that proeutectic Si will improve the heat resistance by forming Mg 2Si with Mg, and that Al 4Cu 9 will play an important role in maintaining the high temperature strength of the alloy. The average hardness of connecting rod prepared by this material is Hv133, that almost satisfies the requirement. With the increase of forging temperature, the deformation resistance and stress for working are decreased, which brings about the improvement of formability.

Keyword：

formability; extrusion; connecting rod; forging;

Received： 2001-05-08

高强耐热4XXX系列铝合金具有良好的可焊性和机加工性能 ^[1] , 在673 K时的延伸率为90%, 抗拉强度为21 MPa, 主要用作内燃机零件 ^[3] , 如连杆、气缸盖和发动机等。用作内燃机零件的4XXX系列铝合金与其它用途4XXX系列铝合金相比含有较多的Si, 故其热胀系数较小, 硬度较高 ^[4,5] 。通常这些内燃机零件大多是采用工艺成本较低的铸造方法制造的。就目前韩国加工企业现状而言, 大部分锻件仍靠进口, 所以, 锻件的国产化和如何提高锻件成形性能成为急待解决的问题。 4XXX系列铝合金的锻造温度范围较宽, 通常在688～1 006 K温度段内进行 ^[6] 。在锻造作业之前需要对工件进行数小时的预热, 加热温度为788～833 K, 高出通常热锻温度323～373 K, 这是为了形成足够的金属变形, 减小锻造时工件的变形抗力, 以提高变形速度。合金中添加微量的Sb, 可以提高4XXX系列铝合金的成形性能。本文作者用这种材料制作汽车内燃机连杆, 并和进口锻件产品比较, 探讨汽车内燃机零件用锻件国产化的可能性。

1实验

4XXX系列铝合金的化学组成见表1, 为了提高合金的成形性能及维持Si的球状化效果, 合金中增加了微量的Sb。材料经铸造及挤压后, 再锻造成汽车内燃机连杆。铸造技术条件如表2所示。合金铸造采用高频感应炉, 将100 kg的铝合金熔化后, 浇入直径为17.78 cm的多孔性石墨金属模中, 同时喷射氮氧混合气体 (喷射速度为600 mL/min) 和水进行压铸。热挤压在3 200 t水平挤压机上进行, 为提高挤压工艺性能, 材料先进行T6热处理, 然后在448 K进行10 h人工时效。用挤压法制成d320 mm×1 000 mm的棒材, 然后根据工序需要将棒料切成d320 mm×150 mm的毛坯, 以便制造汽车连杆 ^[7] 。

为了评价添加了微量Sb的4XXX系列铝合金的成形性能及力学性能, 在713～733 K热锻温度段, 采用锻造效果较好和尺寸精度较高的模锻方式制造了80个汽车内燃机连杆。热锻用的是普通机械压力机 (K_f=400 N/mm²) , 锻造时保持变形速度和其它试验参数不变。铸、挤、锻试样经研磨, 0.3 μm氧化铝 (Al₂O₃) 抛光, 以及超声波清洗约5min后, 用Polution溶液进行腐蚀, 然后用光学显微镜 (OM) 分别进行显微组织观察。锻件的硬度采用显微硬度计测试, 测定负荷为350 g, 时间15 s。分别在常温下和连杆工作温度423 K和473 K测定试样的力学性能。拉伸试样的断口形貌用扫描电子显微镜进行观察。连杆工作条件列于表3。

表1 4XXX系列铝合金的化学组成

Table 1 Chemical composition of novel designed 4XXX series Al alloy (mass fraction, %)

Species	Si	Cu		Mg			Fe		Mn
TF-12	11～13	2.6～3.0		0.1～0.7			0.1～0.7		0.3～0.5
4XXX	11.9	3.0		0.358			0.181		0.371
Species	Cr		Zn		Ti	Ni		Sb		Al
TF-12	0.05～0.15		<0.05		<0.05	0.02～0.5				Bal.
4XXX	0.106		0.04		0.01	0.347		0.02		Bal.

表2 4XXX系列铝合金的铸造条件

Table 2 Casting condition of 4XXX series Al alloy

Temperature of molten metal/K	Pressure of mixture gas/Pa		Flow rate of mixture gas/ (L·min^-1)	Flow rate of cooling water/ (L·min^-1)	Casting speed / (mm·min^-1)
	N₂	O₂
1 023	110	115	0.6	110～120	140

表3 汽车连杆的技术要求

Table 3 Requirements of connecting rod

Tensile strength /MPa	Yield strength /MPa	Elongation /%	Hardness (Hv)	Working temperature/K
3 800	3 200	9	137	403～454

磨损试样尺寸为20 mm×50 mm×5 mm, 对偶采用直径d10.5 mm的氮化硅 (SiN₄) 球。用往复式磨损试验机, 在温度423 K下加垂直负荷3 N, 摩擦距离达到500 m时, 测定摩擦因数及磨损量。磨损量用精度为10^-5?g的电子天平测定, 可以定量地分析磨损情况, 但这时的氧化量的影响未计入在内。

2实验结果及分析

2.1微观组织变化及相分析

添加0.02% Sb到4XXX系列铝合金中, 可以较长时间保持合金中Si的球状化效果, 进而增加高温下材料的延伸率, 以提高其成形性能。铸造、挤压、锻造后的金相组织如图1所示。从图1 (a) 中可以看到铸造合金中存在很发达的粗大树枝状组织, 但没有显现出氧化物偏析。从黑又圆的树枝状晶核发生分支, 然后成长为树枝状组织的晶体, 晶核的尺寸约为20 μm。铸造状态下形成的树枝状组织, 在挤压的预热过程中会变为带有方向性的小结晶粒。然后再成长为微细结晶粒, 最后变化为球状的结晶粒, 挤压组织中看到铝基体上沿挤压方向分布着平均尺寸大约为10 μm的灰色硅粒子。同时也观察到黑色的Al₄Cu₉相 (如图1 (b) 所示) 。为了充分去除挤压材料中的内应力, 进行了吹气作业, 同时锻造是在工件充分预热后进行的, 在这过程中挤压形成的组织发生了再结晶, 而这种再结晶的组织在锻造过程中进一步变成微细晶粒 (如图1 (c) 所示) 。锻造时发生了Si和Cu的球状化是提高材料强度的原因。随着加工度的增大, 越明显地观察到了这种微细晶粒。为了改善锻件的可锻性, 锻造前进行了时效处理, 使锻件组织形成微细析出相, 因而细化了晶粒。在锻造后的微观组织中, 明显地观察到了共晶组织 (11%～12.6% Si) , 多角形初晶Si和Al₄Cu₉相。在凝固过程中, 由于Mg的部分偏析, 能析出Mg₂Si, 这将有利于改善合金的耐热性能; 而Al₄Cu₉相则在维持合金高温强度方面起着重要作用。为了观察挤压及锻造后的组成相的变化, 进行了XRD分析, 结果如图2所示。分析表明, 两种材料中组成主相的是Al和Si, 初晶Si和Mg形成Mg₂Si相, 且合金中还存在Al₄Cu₉相。

图1 4XXX系列铝合金的显微组织

Fig.1 Optical microstructures of 4XXX series Al alloy (a) —As-cast; (b) —Extrusion bar; (c) —Forged connecting rod

图2 挤压态及铸态合金的X射线衍射图

Fig.2 XRD patterns of extruded and forged alloys (a) —Extrusion; (b) —Forging at 713 K; (c) —Forging 733 K

2.2力学性能

自制连杆的硬度分布示于图3。在不同位置测定的连杆硬度分布为Hv131～139, 其平均硬度为Hv133左右, 大体上能够满足汽车内燃机连杆所要求的Hv137的条件。图4所示是高温拉伸试验结果。与挤压件相比, 在713 K及733 K温度下锻造的锻件, 其抗拉强度均有所提高。但锻造温度从713 K提高到733 K, 一方面因工件变形抗力和加工应力减小, 提高了成形性能, 但另一方面, 由于加工硬化效果的减弱, 其抗拉强度和硬度反而有所下降。

图3 4XXX系列铝合金的硬度分布

Fig.3 Hardness distribution of 4XXX series Al alloy

图4 4XXX系列铝合金的高温应力—应变曲线

Fig.4 Stress—strain curves of 4XXX series Al alloy at high temperature (a) —423 K; (b) —473 K

2.3摩擦磨损性能

图5所示为自制的汽车内燃机连杆锻件的磨损试验结果。可见713 K锻件的磨损量是0.048 9 g, 摩擦因数为0.013; 而733 K锻件的磨损量是0.0 535 g, 即摩擦因数和磨损量均高于713 K锻件的, 也就是说随着锻造温度的升高, 耐磨性能降低。同时也表明, 表面硬度较高的713 K锻件的摩擦因数较733 K锻件的低。温度为423～473 K时, 因粘着磨损因素, 存在着低温裂化现象, 当发生磨损时, 随着摩擦频率的增加, 摩擦表面的氧化量亦随着增加, 促进了磨损。因而, 粗大的初晶Si将使锻件的磨损性能降低。在本实验中设定的全部摩擦速度范围内, 高温用铝合金713 K锻件的耐磨性能优于733 K锻件的, 这可能与摩擦表面形成了一种氧化层有关 ^[8,9,10] 。锻件在423 K的磨损行为, 可看作机械研削磨损, 或伴随着变形的磨损, 磨损中同时还伴随氧化反应等。

图5 4XXX系列铝合金的磨损实验结果

Fig.5 Wear test result of 4XXX series Al alloy

2.4成形性能评价

温度是影响铝合金锻造性能的重要因素, 应根据锻造变形量和变形速度在该材料的适用锻造温度范围内进行选定 ^[11,12] 。成形不良表现在, 温度过低时因温度不均匀及低温引起的工件变形能的下降, 而温度过高时则因变形抗力的减小, 锻造压力不均匀, 发生偏截现象。图6所示是713 K锻件和733 K锻件成形性能比较。图6表明, 713 K锻件的平均废品率为20%, 733 K锻件的平均废品率为10%, 与713 K锻件相比大约减少了10%, 说明其成形性能有了较大提高。虽然锻造温度的增高能带来好的成形性能, 但力学性能变化不大。因此锻造温度越高, 材料变形抗力就越小, 加工所需要功率也越小。但过高的加热温度会引起材料过热, 导致晶界脆化, 不利于锻造。并且如果锻造温度在固相线以下, 高于正常锻造温度, 则加工时材料的表面将会首先变形, 成为发生表面缺陷及热裂和充不满模腔等的原因。

图6 汽车连杆制造废品率随锻造温度的变化

Fig.6 Variety of badness during connecting rod production with temperature