擠壓鑄造2a50合金的顯微組織和偏析缺陷

擠壓鑄造2a50合金的顯微組織和偏析缺陷

通過壓縮鑄造，鑄造材料在硬化后期會發(fā)生一些塑料變形，被稱為鑄造和精煉的結(jié)合工藝。在擠壓鑄造過程中,鑄件各部位均處于壓應(yīng)力狀態(tài),有利于鑄件補縮和防止鑄造裂紋的產(chǎn)生,因此擠壓鑄造工藝對合金的適應(yīng)性較強,無論是鑄造性能較好的鑄造鋁合金,還是鑄造性能較差的變形鋁合金,都可以采用擠壓鑄造工藝成形。為使擠壓鑄造產(chǎn)品具有高強度和良好的韌性,生產(chǎn)上采用強度較高的Al-Cu系鑄造鋁合金及綜合性能較好的變形鋁合金。2A50合金屬于變形鋁合金,目前在擠壓鑄造鋁合金輪轂的生產(chǎn)中得到廣泛應(yīng)用,但對2A50合金擠壓鑄造狀態(tài)下顯微組織的研究很少,對擠壓鑄造過程容易產(chǎn)生的偏析缺陷研究尚存空白。作者對采用擠壓鑄造工藝和2A50合金生產(chǎn)的鋁合金輪轂,借助差熱分析儀、金相顯微鏡和掃描電鏡等手段,對其樣品進行差熱分析、組織及形貌觀察,給出擠壓鑄造2A50合金及偏析缺陷的顯微組織和過燒溫度,為擠壓鑄造鋁合金輪轂熱處理規(guī)范的制定、產(chǎn)品內(nèi)部組織檢驗提供技術(shù)依據(jù)。1試驗過程1.1鑄造工藝及模具參數(shù)擠壓鑄造鋁合金輪轂的制造材料為2A50合金,合金的設(shè)計成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))為:2.50%Cu,0.95%Si,0.60%Mg,0.60%Mn,余量Al。2A50合金用TRG-300熔化保溫爐熔煉,熔煉工藝:加重熔用鋁錠、ZLD102和AlMn10→熔化后加AlCu50→710~730℃采用旋轉(zhuǎn)噴吹裝置進行凈化處理→680~700℃加原生鎂錠→調(diào)整至澆注溫度、待澆注。用RZU2000HC擠壓鑄造液壓機擠壓鑄造鋁合金輪轂,主要工藝參數(shù):加壓壓力為80MPa,保壓時間為60s,模具溫度為200~300℃,澆注溫度為720~740℃。在鋁合金輪轂上截取差熱分析用樣品,利用DSC差熱分析儀進行差熱分析。1.4電阻爐和時效處理鋁合金輪轂、沿鋁合金輪轂軸截面制備試樣的固溶處理分別用NCL2002-336型固溶處理爐、RX3-54-06高溫箱式電阻爐,時效處理用101-3型干燥箱。根據(jù)差熱分析結(jié)果,采用的熱處理方案見表1。1.5掃描電子顯微鏡觀察用LEICA金相顯微鏡和QUANTAFEG250掃描電子顯微鏡,對鋁合金輪轂、沿鋁合金輪轂軸截面制備的試樣在不同固溶處理溫度下的顯微組織、組成相形貌進行觀察。2結(jié)果與分析2.1顯微組織變化2A50合金是在Al-Mg-Si系合金的基礎(chǔ)上加入元素Cu、Mn形成的。采用熱處理方案Ⅰ的擠壓鑄造2A50合金的顯微組織,見圖1?？梢?擠壓鑄造2A50合金的組織特征為鑄造組織,采用熱處理方案Ⅰ的組織正常,未發(fā)生過燒。擠壓鑄造2A50合金除形成Mg2Si強化相(圖2a中深灰色魚骨狀相)外,由于Mg/Si比值小于1.08,還形成ω(Cu4Mg5Si4)強化相(圖2b中灰色針狀相),剩余的Cu形成θ(Al2Cu)強化相(圖2c中灰色不規(guī)則相)。該合金屬于可熱處理強化合金,ω(Cu4Mg5Si4)相、θ(Al2Cu)相熱處理后只能部分溶解起到強化作用,因此對合金的強化效果低于Mg2Si相。合金中加入少量Mn,雖然可提高合金的強度、改善耐蝕性和沖擊韌性等,但可能會出現(xiàn)Al6(MnFeSi)雜質(zhì)相(圖2d中淺灰色樹枝狀相)。據(jù)資料介紹,2A50合金的熔化開始溫度高于525℃,其棒材和鍛件的過燒溫度為545℃。合金的固溶處理溫度高于熔化開始溫度會發(fā)生過燒。過燒是指合金中低熔點組成物(一般指共晶體)在加熱過程中發(fā)生了重熔。過燒組織的特征:出現(xiàn)復(fù)熔共晶球(液相球),這是固溶處理溫度超過低熔點共晶體的熔點時,形成液相,由于表面張力的作用使液相收縮呈球狀,冷卻后在組織中形成小圓球;晶界局部加粗和發(fā)毛,這是由于晶界與局部地區(qū)存在的低熔點共晶體熔化后還會浸蝕固溶體,使晶界局部加粗和發(fā)毛;出現(xiàn)三角晶界區(qū),這是由于3個晶粒交界處的局部熔化連接了起來。擠壓鑄造2A50合金不同熱處理方案的顯微組織,見圖3?？梢?擠壓鑄造2A50合金在固溶處理溫度為525℃時組織正常,未發(fā)生過燒(圖3a);固溶處理溫度為530℃時出現(xiàn)復(fù)熔共晶球,發(fā)生過燒(圖3b);固溶處理溫度為535℃時晶界局部加粗和發(fā)毛,并出現(xiàn)三角晶界區(qū),過燒加劇(圖3c)。其結(jié)果與差熱分析結(jié)果相符,如圖4所示。2.2拉伸鑄造異常偏析當(dāng)采用擠壓鑄造結(jié)晶溫度區(qū)間寬、有形成顯微偏析傾向的合金鑄件時,尤其是采用直接擠壓鑄造工藝成形有較大鑄造熱節(jié)的鑄件時,很容易產(chǎn)生“擠壓鑄造異常偏析”缺陷。這是一種擠壓鑄造條件下異常加重的正偏析,其特征是在鑄件熱節(jié)處呈合金元素的富聚,這大都與合金種類和擠壓鑄造方式有關(guān)。一旦出現(xiàn)此種情況,采用改變擠壓鑄造工藝參數(shù)的方法很難完全消除,除非改變擠壓方式和鑄型設(shè)計。采用擠壓鑄造工藝和2A50合金生產(chǎn)的鋁合金輪轂,其輪緣與輪輻過渡處出現(xiàn)偏析缺陷。偏析缺陷的宏觀組織,見圖5。擠壓鑄造鋁合金輪轂鑄造熱節(jié)處產(chǎn)生偏析的原因在于:擠壓鑄造是使液態(tài)金屬在較高的機械壓力下成形和凝固。較高的機械壓力使枝晶間液相流動加快,當(dāng)枝晶間液相流動速度大于凝固速度時,剩余的富Cu液相沿著枝晶通道被強行擠向鑄造熱節(jié)處,產(chǎn)生嚴(yán)重的正偏析,即“擠壓鑄造異常偏析”。EDS分析結(jié)果表明,偏析區(qū)基體Cu的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為8.96%(圖6),比合金Cu的質(zhì)量分?jǐn)?shù)(2.50%)高6.46%。鋁合金輪轂采用熱處理方案Ⅰ,偏析缺陷與基體交界處、偏析缺陷的顯微組織,見圖7。可見,偏析缺陷與基體交界處過渡良好(圖7a);偏析缺陷在固溶處理溫度為515℃時,無過燒現(xiàn)象(圖7b)。擠壓鑄造2A50合金偏析缺陷的組成相,見圖8。EDS分析結(jié)果表明,偏析缺陷的組成相中Mg的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為29.37%、Si的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為29.25%,Mg/Si比值約為1,小于1.08,該組成相為ω(Cu4Mg5Si4)相。鋁合金輪轂偏析缺陷不同熱處理方案的顯微組織,見圖9?？梢?鋁合金輪轂偏析缺陷在固溶處理溫度為525℃時,局部發(fā)生重熔,發(fā)生過燒;固溶處理溫度為530℃時,過燒加劇。由于鋁合金輪轂偏析缺陷的過燒溫度低于基體,為減少偏析對鋁合金輪轂固溶強化效果的影響,應(yīng)從合金和工藝方面尋求解決措施。已有相關(guān)的研究和分析表明,降低澆注溫度或模具溫度能減緩Al-Cu系合金的偏析。前者是由于提高澆注溫度可以增加鋁合金液的凝固時間,即增加固-液界面前沿的富Cu鋁合金液向低濃度鋁合金液相中的擴散時間;后者是由于提高模具溫度可以降低鋁合金液的凝固速度,二者在擠壓鑄造壓力作用下,都會使富Cu鋁合金液通過枝晶間隙流向鑄造熱節(jié)處,形成“擠壓鑄造異常偏析”。通過添加微量元素Ti、B,對擠壓鑄造2A50合金偏析缺陷的抑制效果進行試驗,Ti的加入量為0.15%,B的加入量為0.03%,在合金熔煉后期采用中間合金加入。結(jié)果表明:擠壓鑄造2A50合金中未添加微量元素Ti、B,存在“擠壓鑄造異常偏析”(圖10a);添加微量元素Ti、B,消除了“擠壓鑄造異常偏析”(圖10b)。3u2004鑄造相1)擠壓鑄造2A50合金的組織特征為鑄造組織,強化相為Mg2