金屬型重力鑄造高強度鋁銅合金

孫廷富，吳岳壹，徐建江，官柏平，曹改榮，周青花，高志強

（1. 中國兵器科學研究院寧波分院，浙江 寧波 315103；2. 賽克思液壓科技股份有限公司，浙江 寧波 315021）

應用技術

金屬型重力鑄造高強度鋁銅合金

孫廷富1，吳岳壹1，徐建江2，官柏平2，曹改榮2，周青花2，高志強2

（1. 中國兵器科學研究院寧波分院，浙江 寧波 315103；2. 賽克思液壓科技股份有限公司，浙江 寧波 315021）

目的 針對鋁銅合金熱裂敏感性高、難以進行金屬型鑄造的難題，研究其合金成分、鑄造工藝、組織與性能的關系。方法 首先充分分析鑄造鋁銅合金的凝固機制與特點，在ZL205A合金基礎上，設計了新型合金成分以及兩種鑄造試樣模，經過熔煉、鑄造與熱處理，獲得砂型鑄造與金屬型鑄造試樣，進行力學性能測試、組織分析，并觀察試樣的抗熱裂性。結果 兩種鑄造試樣都獲得了較高的力學性能，鑄態及 T6態全部為等軸晶組織，成功避免了熱裂問題，并提高了合金的力學性能；金屬型鑄造試制了油馬達鑄件。結論 證明了通過鋁銅合金的成分優化設計，以及含鈧復合細化劑的合理匹配，采用金屬型鑄造獲得等軸晶組織，進而避免粗大枝晶組織，是克服熱裂問題的關鍵，從而實現金屬型鑄造高強度鋁銅合金。

金屬型重力鑄造；高強度鑄造鋁銅合金；熱裂；組織；力學性能

鑄鐵和鋼是目前工程機械的主要用材，存在著重量大、熔點高、不耐腐蝕等缺點，會導致環境污染、制造能耗大、維護成本高以及社會綜合效益低下等問題。采用鋁合金替代鑄鐵和鋼，制造工程機械構件、部件，如高壓柱塞泵殼體，是柱塞泵輕量化發展的主題及方向，并可以克服鑄鐵及鋼泵殼體的缺點與不足。

現各類鑄造鋁合金[1]普遍存在強度不高的事實，幾乎所有鑄造鋁合金的拉伸強度都不超過 350 MPa量級，難以達到QT450-10球鐵材料高強度及高韌性的水平。特別是鑄造鋁銅合金，因熱裂敏感性高，大部分鑄造鋁銅合金只能采用砂型鑄造工藝。尤其是ZL205A高強度鑄造鋁銅合金，是唯一一個承載強度可以達到 QT450-10球鐵材料性能水平的鑄造鋁合金，但因ZL205A高強度鑄造鋁合金的熱裂敏感性高，導致成品率低，為此僅推薦適用于砂型鑄造工藝，難以適應較為復雜鑄件的金屬型鑄造工藝，嚴重制約著現代工程機械批量生產的要求。

文獻[2]指出，在銅質量分數為 5%～6%的區間內，二元鋁銅合金隨著銅含量的提高，強化效果越好，但相應的熱裂敏感性也越高。解決這一對矛盾，使之統一，并開發出金屬型鑄造的可行性，這將對高強度鋁銅合金的高效率鑄造與工程應用奠定基礎。文中在ZL205A高強度鑄造鋁合金的基礎上，設計了新型合金成分，重點解決添加含鈧多元復合細化劑，使合金在鑄造凝固過程中形成細小等軸晶組織，以解決適用于金屬型重力鑄造的成分要求、組織要求與力學性能要求，為高壓軸向液壓柱塞泵體的批量生產奠定基礎。

1 試驗設計與方法

1.1 鑄造鋁銅合金的凝固特點及問題

鋁銅合金中α鋁的形成溫度較高，是先析出相，易形成粗大枝晶組織。在整個凝固期間，一旦枝晶組織形成骨架并互相連通，或與鑄型壁相連即發生固相收縮，一方面會導致α鋁受阻收縮，會發生拉伸強度不夠的問題，極易產生熱裂，即強度理論[3]。枝晶間被割裂的液相或是偏析的液相不能及時有效補縮，還會形成大量縮松，嚴重的會使鑄件報廢；另一方面粗大枝晶組織將凝固過程割裂成無數個互不相通的小微區，這些小微區中存在偏析的液相、低熔點液相，隨著一層層的凝固推進，最后形成大量縮松區和微裂紋區，即液膜理論[3]。枝晶組織越發達，小微區越多，鑄件組織疏松越嚴重，熱裂也越易產生，鑄件的力學性能越低，甚至不能使用而報廢。

為此，要盡可能控制鑄件組織中的α鋁為無枝晶組織，即形成完全等軸晶組織或團塊狀組織，這可推遲固相收縮時間以及縮短液膜的持續時間，減小或消除液相微區，或避免枝晶骨架過早形成，以及提高α鋁的強度，方可解決熱裂問題以及力學性能提高問題。

1.2 高強度鑄造鋁銅合金成分改性設計

基于上述凝固機制的研究與分析，依靠銅的單一強化作用，難以達到高強度高韌性的技術性能效果，必須通過加入Mn, Mg，以起到復合強化作用。一方面，少量的Mn, Mg固溶到α鋁中起強化作用，可以提高α鋁的強度，這將有利于提高凝固時抗熱裂性能。形成的含銅的 Mn, Mg的復合相，有利于減少Al2Cu相數量，避免脆性，這也有利于提高合金的力學性能。另一方面，Mn, Mg也各自形成強化相，對單一用銅強化作用不足的缺點，可以進行補充。

添加Sc, Ti, Zr三元復合高效變質細化劑[5—9]，可有效細化或變質處理α鋁晶粒，使之形成等軸晶組織，對克服熱裂有利。

通過對ZL205A合金的成分研究，發現新型合金含有質量分數為4.70%～5.80%的Cu，0.50%～0.70%的Mn，0.20%～0.40%的 Mg，0.15%～0.35%的 Ti，0.30%～0.60%的 Zr，0.15%～0.30%的 Sc，Fe和 Si的質量分數不大于0.30%，Na的K的質量分數不大于0.02%，余量為Al及不可避免的雜質。

1.3 試樣鑄模設計

為研究新合金的鑄造工藝性能，設計制造金屬型重力鑄造以及砂型鑄造試樣鑄模，兩種鑄造試樣模型見圖1。圖1a為砂型試樣情形，試樣直徑為12 mm，長度為173 mm；砂型最小吃砂量為50 mm，水平分型。金屬型試樣情形見圖1b，其中A和B兩處的尖角效應用于觀察是否有裂紋問題；金屬型最小壁厚與相應鑄件的壁厚比為1︰1，垂直分型。

1.4 熔煉、鑄造與熱處理

采用上述新型合金的成分進行精確配料，配制50 kg爐料，并采用純鋁、純鎂、Al-50Cu、Al-10Mn、Al-10Ti、Al-10Zr、Al-2Sc中間合金的爐料形式，采用中頻爐熔煉。

先將純鋁爐料在700～720 ℃熔化，然后依次加入鋁銅、鋁錳、鋁鈧、鋁鈦及鋁鋯中間合金的爐料，控制熔體溫度不高于 780 ℃；待全部合金熔化后，加入HGJ-1A精煉劑，每100 kg爐料加入0.750～1.00 kg熔劑，對熔體精煉處理，扒渣后熔體靜置10～15 min；然后用鐘罩壓入純鎂，緩慢攪熔等待5～7 min，使其成分均勻；控制熔體溫度，當溫度達到720～750 ℃時，澆注到預熱過的樹脂砂型內，以及金屬模具內，待凝固后取出；隨后進行T6熱處理，即在立式電阻爐中固溶處理，溫度為(530±5) ℃，保溫時間為12～16 h，然后在溫度為65～70 ℃的水中，進行淬火冷卻；最后進行時效處理，在溫度為(170±5) ℃的電熱鼓風烘干箱中，保溫8～12 h，取出后空冷。兩種鑄造試樣樣件見圖2。

圖1 兩種鑄造試樣模型Fig.1 Two kinds of casting specimen molds

圖2 兩種鑄造試樣Fig.2 Two kinds of casting specimens

2 試驗結果

2.1 力學性能及熱裂傾向性

根據GB/T 228.1—2000，對4組分別采用金屬模鑄造和砂型鑄造方法獲得的試樣，并經T6熱處理，進行力學性能測試，金屬型試樣力學性能拉伸曲線見圖3。砂型鑄造以及金屬型鑄造試樣的抗拉強度以及斷后伸長率均較高，金屬型鑄造的力學性能更具優勢且數據穩定性高。觀察表明，金屬型試樣A和B兩處均無裂紋問題。其中，4組金屬模鑄造試樣的拉伸強度分別為530, 535, 530, 540 MPa，斷后伸長率分別為 15.5%,14.0%, 11.5%, 16.5%；4組砂型鑄造試樣的拉伸強度分別為450, 500, 475, 470 MPa，斷后伸長率分別為10.0%,7.5%, 7.5%, 11.5%。對比圖1可知，圖1a的砂型鑄造試樣模型中，無熱裂紋產生，圖1b的金屬型重力鑄造試樣模型的A和B兩處，也無熱裂紋產生。

圖3 金屬型試樣力學性能拉伸曲線Fig.3 Mechanical property of metal mold specimen: tensile curve

2.2 金相組織分析

圖4 兩種鑄造試樣鑄態金相組織Fig.4 Casting metal photography of two casting specimens

根據 GB/T 13298—1991和 GB/T 6394—2002，對砂型鑄造試樣和金屬型重力鑄造試樣進行金相組織檢測，合金的兩種鑄態組織見圖4，可見，均獲得了較均勻的組織形態，且為團塊狀組織或等軸晶組織。合金的兩種T6態組織見圖5，均為等軸晶組織。砂型鑄造的晶粒尺寸均值在76 μm左右，晶粒度達到5級；金屬模鑄造的晶粒尺寸均值在50 μm左右，晶粒度達到6級。可見金屬型鑄造組織更細小，比砂型鑄造晶粒度高一個等級。

圖5 兩種鑄造試樣T6態金相組織Fig.5 T6 treatment metal photography of two casting specimens

2.3 金屬型鑄造樣品件

根據生產要求與現場條件，成功進行金屬型鑄造油馬達鑄件，并加工試用。鑄造件及加工后樣品見圖6。

圖6 金屬型鑄造油馬達鑄件及加工后效果Fig.6 Metal mold casting oil motor casting and effect after machining

3 分析與討論

ZL205A高強度鑄造鋁銅合金含有質量分數為4.60%～5.30% 的 Cu， 0.30%～0.50% 的 Mn，0.15%～0.35%的 Ti，0.15%～0.25%的 Cd，0.05%～0.30%的V，0.05%～0.20%的Zr，0.005%～0.06%的B，余量為雜質與鋁。該合金的成分配方高度注意了細化晶粒的重要性，大量加入Ti, V, Zr以及B四元素復合變質劑，力圖實現超細化，但V及B的作用不夠理想，極易出現偏析、積聚，造成組織細化不足。Cd的時效調節作用也不夠理想，且Mn的作用不夠明確。根據文獻[3]，分析總結抗熱裂途徑及方法如下：① 實現細晶粒組織，可以降低單位表面上的液膜數量和其厚度，同時也避免了粗大α鋁枝晶骨架的過早形成，故增加了抗裂性；② 提高合金在有效結晶溫度區間內的α鋁強度，可以減小熱裂傾向。

結合文獻[10—15]的分析認為，必須對 ZL205A高強度鑄造鋁銅合金進行改性設計，實現組織超細化，避免熱裂的形成，這是實現金屬型鑄造的關鍵。故此，在新合金成分改性設計上，一方面通過添加Mg, Mn元素及含量設計，固溶強化α鋁[4]，防止α鋁枝晶骨架形成后，發生強度不足的問題，對抗熱裂性能有利；另一方面添加Mg，可減少高銅含量時產生過多的脆性相θ(Al2Cu)數量，獲得S(Al2CuMg)相，對合金強韌性提高有利。添加高Mn含量，除少量固溶強化α鋁，綜合掉不可避免Fe的有害作用外，還形成T(Al12Mn2Cu)相，在固溶處理時彌散質點析出，提高合金的力學性能。

根據文獻[5—9]的研究成果分析與設計，添加Sc,Ti, Zr三元復合高效變質、細化劑，可有效細化或變質處理α鋁，使之形成等軸晶組織。Sc的變質、細化作用比Ti, Zr的作用大，但Sc稀缺，必須進行匹配性設計。Sc可與Ti, Zr形成復合化合物Al3(Zr,Sc)，Al3(Ti,Sc)的非自發形核核心，獲得最大化細化晶粒的效果。

由圖4可知，改性設計的新型高強鋁銅合金能夠在金屬模鑄造以及砂型鑄造條件下獲得均勻的等軸晶組織或團塊狀組織，這是避免熱裂問題的關鍵；由圖3及圖5可知，經過T6處理合金組織細小均勻，完全等軸晶，砂型鑄造與金屬型鑄造都獲得較高的力學性能。這證實采用超細化處理元素的設計及添加的合理性，也證實了采用金屬型鑄造高強度鋁銅合金具有技術可行性。

4 結論

1) 新型高強鋁銅合金含有質量分數為 4.70%～5.80%的 Cu，0.50%～0.70%的 Mn，0.20%～ 0.40%的Mg，0.15%～0.35%的 Ti，0.30%～0.60%的 Zr，0.15%～0.30%的Sc，Fe和Si的質量分數不大于0.30%，Na和K的質量分數不大于0.02%，余量為Al及不可避免的雜質。通過系統工藝試驗研究以及油馬達鑄造實踐證實，新型高強鋁銅合金抗熱裂能力強，采用金屬型鑄造具有可行性。需要進一步開展生產實踐研究，積累數據為工程推廣應用服務。

2) 采用砂型鑄造以及金屬型鑄造都可獲得均勻的等軸晶組織或團塊狀組織，這是避免熱裂問題的關鍵。砂型鑄造T6態組織的晶粒尺寸均值在76 μm左右，晶粒度達到5級；而金屬模鑄造T6態組織的晶粒尺寸均值在50 μm左右，晶粒度達到6級，這是獲得高力學性能的關鍵，也表明采用含鈧復合超細化處理的設計思想具有正確性以及理論與實踐的指導意義。

3) 采用砂型鑄造以及金屬型鑄造，并匹配熱處理工藝都能達到QT450-10球鐵材料的性能水平，金屬模鑄造更具有優勢。

[1] 劉伯操. 鑄造非鐵合金[M]. 北京: 機械工業出版社,2001.LIU Bo-cao. Casting Non Ferrous Alloy[M]. Beijing:Mechanical Industry Press, 2007.

[2] 《鑄造有色合金及其熔煉》聯合編寫組. 鑄造有色合金及其熔煉[M]. 北京: 國防工業出版社, 1981.Foundry Nonferrous Alloys and Their Melting Joint Compilation Group. Casting Nonferrous Alloys and Their Melting[M]. Beijing: National Defence Industry Press, 1981.

[3] 李慶春. 鑄件形成理論基礎[M]. 北京: 機械工業出版社, 1982.LI Qing-chun. Theoretical Basis of Casting Formation[M]. Beijing: Mechanical Industry Press, 1982.

[4] 田榮璋, 王祝堂. 鋁合金及其加工手冊[M]. 長沙:中南大學出版社, 2000.TIAN Rong-zhang, WANG Zhu-tang. Aluminum Alloy and Its Processing Manual[M]. Changsha: Central South University Press, 2000.

[5] 聶祚仁. 鋁材中合金元素的作用與發展[J]. 中國有色金屬, 2009(22): 56—57.NIE Zuo-ren. Role and Development of Alloying Elements in Aluminum[J]. China Nonferrous Metals,2009(22): 56—57.

[6] 陳輝錦, 李紹唐, 劉記立, 等. Sc在鋁合金中的微合金化作用機理[J]. 粉末冶金材料科學與工程, 2008,13(5): 249—259.CHEN Hui-jin, LI Shao-tang, LIU Ji-li, et al. Mico-alloying Mechanism of Sc in Aluminum Alloys[J].Materials Science and Engineering of Powder Metallurgy, 2008, 13(5): 249—259.

[7] 倪培相, 左秀榮, 李貞明, 等. 微合金化元素對7005鋁合金鑄態組織與性能的影響[J]. 材料熱處理學報,2008, 29(3): 94—98.NI Pei-xiang, ZUO Xiu-rong, LI Zhen-ming, et al. Effect of Trace Elements on Microstructure and Properties of As-cast 7005 Aluminum Alloy[J]. Transactions of Materials and Heat reatment, 2008, 29(3): 94—98.

[8] 趙賓, 李向博, 王久林, 等. 微量Sc對高強鋁合金鑄態組織與性能的影響[J]. 精密成形工程, 2015, 7(6):65—69.ZHAO Bin, LI Xiang-bo, WANG Jiu-lin, et al. Influence of Micro-Sc on Casting Microstructures and Mechanical Properties of High Strength Aluminum Alloy[J]. Journal of Netshape Forming Engineering, 2015,7(6): 65—69.

[9] 劉華娜, 楊光昱, 齊元昊, 等. Sc對Al-Zn-Mg-Cu系鑄造鋁合金組織與性能的影響[J]. 鑄造, 2013, 62(1):4—9.LIU Hua-na, YANG Guang-yu, QI Yuan-hao, et al.Effects of Sc on the Microstructures and Mechanical Properties of Al-Zn-Mg-Cu Casting Aluminum Alloy[J]. Foundry, 2013, 62(1): 4—9.

[10] 賈泮江, 陳邦峰. ZL205A高強鑄造鋁合金的性能及應用[J]. 輕合金加工技術, 2009, 37(1): 10—12.JIA Pan-jiang, CHEN Bang-feng. The Properties and Application of High Strength ZL205A Casting Aluminum Alloy[J]. Light Alloy Fabrication Technology,2009, 37(1): 10—12.

[11] 陳邦峰, 賈泮江. ZL205A鋁合金鑄件偏析缺陷的斷口形貌和化學成分[J]. 材料工程, 2010(1): 1—6.CHEN Bang-feng, JIA Pan-jiang. Fracture Surface and Chemical Composition of Segregation Defect of ZL205A Casting Aluminum Alloy[J]. Material Engineering, 2010(1): 1—6.

[12] 陳邦峰, 賈泮江, 劉國利, 等. ZL205A 鋁合金鑄件偏析缺陷分析和等級研究[J]. 特種鑄造及有色合金,2009, 29(11): 994—997.CHEN Bang-feng, JIA Pan-jiang, LIU Guo-li, et al.Fracture Surface and Chemical Composition of Segregation Defect of ZL205A Casting Aluminum Alloy[J].Special Casting & Nonferrous Alloys, 2009, 29(11):994—997.

[13] 呂杰, 劉伯操, 楊凱, 等. 高強韌鑄造鋁合金[J]. 鑄造, 2000, 49(2): 66—69 LYU Jie, LIU Bo-cao, YANG Kai, et al. The Study of Cast Aluminum Alloy with High Strength and Toughness[J]. Foundry, 2000, 49(2): 66—69.

[14] 侯峻嶺, 宋鴻武, 楊繼偉, 等. 高壓開關殼體用高強鑄造鋁合金的研究[J]. 鑄造, 2007, 56(2): 130—132.HOU Jun-ling, SONG Hong-wu, YANG Ji-wei, et al.Study on High Strength Cast Aluminum Alloy Used on High Voltage Switch Shell[J]. Foundry, 2007, 56(2):130—132.

[15] 賈泮江, 陳邦峰. 高強高韌鑄造鋁合金的研究現狀及發展[C]// 大型飛機關鍵技術高層論壇暨中國航空學會2007年年會, 2007.

Metal Mold Gravity Casting High Strength Al-Cu Alloy

SUN Ting-fu1,WU Yue-yi1,XU Jian-jiang2,GUAN Bo-ping2,CAO Gai-rong2,ZHOU Qing-hua2,GAO Zhi-qiang2
(1. Ningbo Branch of China Ordnance Science Research Academy , Ningbo 315103, China;2. Saikesi Hydraulic Science and Technology Co., Ltd., Ningbo 315021, China)

This work aims to research relationships of component, casting process, structure and performance of alloy to solve high hot fracture sensibility and metal mold casting difficulty of aluminum copper alloy. Firstly, solidification mechanism and characteristics of casting Al-Cu alloy were analyzed. On the basis of ZL205A alloy, new alloy compositions and two types of casting specimen molds were designed to have melting, casting and heat treatment to obtain specimen of sand casting and metal casting, to carry out mechanical property testing, structure analysis, and observe anti-fracture property. Both the two kinds of casting specimens achieved high mechanical properties, i.e., the all equi-axial structure appeared in both casting and after T6 treatment, which successfully avoided the problem of hot fracture and improved alloy mechanical properties. Oil motor casting was made experimentally by metal mold casting. This proves that by optimization design of Al-Cu alloy composition and proper allocation of Sc containing composite refiner, equi-axial structure can be acquired by metal casting, that can avoid coarse dendrite structure. It is the key of anti-hot-cracking. It also provides the accessibility of metal mold casting high strength Al-Cu alloy.

metal mold gravity casting; high strength casting aluminum alloy; hot fracture; structure; mechanical property

2017-09-13

浙江省寧波市科技局重大專項（2016B10027）

孫廷富（1961—），男，碩士，研究員，主要研究方向為輕合金材料、工藝及應用。

10.3969/j.issn.1674-6457.2018.01.023

TG49.3

A

1674-6457(2018)01-0172-05