成果介绍：Al-12. 4Si-4. 5Cu合金挤压铸造工艺研究

作者：郑晓敏

    挤压铸造工艺其实质是把液态金属直接浇入模具型腔，然后在一定时间内以一定的压力作用于半熔融或半凝固的金属上，在高压下凝固成型。液态金属在高压之下，其固相线向高温方向移动。若液态金属在接近固相线时，施加的压力使液态金属处于过冷状态，在大的

过冷度条件下，液态金属便能生核并长大，形成晶粒的内生长，阻碍了原来（未加压时）枝晶的单向延伸，而形成等轴晶组织1-3J，同时也避免偏析。由于结晶是在压力下进行的，其铸件内部组织致密，无缩孔与缩松。

1  试验方法

1.1试验材料和设备

    Al-Si合金随Si含量的增加表现出良好的耐磨性和低的线膨胀系数，高温强度和工艺性均较好。未经过变质处理的过共晶Al-Si合金中存在粗大块状初晶Si和粗大长针状共晶Si组织，使基体严重割裂，恶化了力学性能，同时切削加工性能也很差，所以Si的含量（质量分数，下同）应在共晶处为佳。

    为改善Al-Si合金的常温性能，常在合金中加入起沉淀强化作用的Cu元素，使合金在热处理过程中，由于Cu的固溶硬化和A12 CL1中间相的析出硬化而使材料强度提高。要使Al、Si元素在共晶反应时得到完全融合，加热温度应高于577。C。又因为在548℃时，Cu在Al中的最大溶解度为5.65%，而温度降到302℃时，Cu的溶解度为0.45%。为使Al-Si共晶反应充分且Cu充分溶解，温度应取在600℃左右。Cu含量在

4．O%～6.8%时强化效果最好，故取w(Cu)一4.5%。

    试验设备包括四柱式压力机、金属线切割机、坩埚电阻炉、CMT5105型微机控制电子万能试验机、XJ L-02A型立式金相显微镜、JSM-6390LV型扫描电镜。

1.2工艺参数

    试验中压力分别为100、150、200 kN；模具预热温度分别为200、230和250℃；根据合金相图选取浇注温度为620、650、680℃；保压时间分别为10、12和14 s；采用自配润滑剂润滑。采用L9 (34)进行正交试验，因素、水平见表1。

1.3挤压铸造

    采用液压机挤压铸造成形状简单的厚壁件，挤压铸造工艺流程为：合金熔炼一模具安装及润滑一模具预热一变质处理一浇注一合模一施加压力一保压一卸压一埋砂降温一取出试样。

1.4热处理

    Al-12. 4Si-4. SCu合金造成形后进行T6固溶处理（淬火）加完全人工时效以获得高强度，但塑性和耐腐蚀性会有所下降。固溶和时效处理工艺见表2。

2  试验结果与分析

    把两组试验铸件各截取一块，经过磨制、抛光，用体积分数为0.5%的HF酸溶液与水1：1配比后进行腐蚀，在XJL-02A型立式金相显微镜和JSM-6390LV扫描电镜下对试样进行组织形貌观察分析。然后对标准拉伸试样进行拉伸，比较不同工艺参数下的抗拉强度及伸长率，再将磨好的试样的金相面进行硬度测试。

2.1  抗拉强度与伸长率

    热处理前后试样的抗拉强度和伸长率见表3。

  由表3可知，每组中热处理后的试样抗拉强度都比热处理前的高（除了存在缺陷的1、4号外），且热处理前最低值为133.1 MPa，热处理后最高值为239.9 MPa，热处理后最高值与热处理前最低值相比高了106.8MPa。热处理后虽然抗拉强度有所增加，但是伸长率却降低。

    对经热处理后的试样抗拉强度进行正交试验，其极差分析结果表明，热处理后最好的方案为B3A1D3 C3，即浇注温度为680℃，模具预热温度为200℃，压力为200 kN，保压时间为14 s。

2.2硬度

    通过维氏硬度计测得试样热处理前后的硬度值，见表4。从表4可以看出，热处理后的硬度值明显高于热处理前的硬度值，热处理前、后试样的硬度值(HV)最高的都是第3组，分别为152.1和156.8。

2.3    Al-12. 4S1-4. 5Cu合金挤压铸造件显微组织分析

2.3.1热处理前后的显微组织对比

    图1是Al-12. 4Si-4. 5Cu合金挤压铸造件3号试样（即模具预热温度为200℃，浇注温度为680℃，保压时间为14 s，压力为200 kN）的显微组织。图la中亮灰色物质为Al，还存在大块的Si晶体且分布不均。经过T6热处理后，大部分的A12 Cu已经熔入白色的a—Al中（见图lb），大块的Si晶体已经不存在了，只有组织细小、分布均匀的灰色Si颗粒。

    此外从图1中可以看出，热处理前合金组织比较粗大，分布也不太均匀；而经过热处理的组织比较均匀、细小，说明Al-12. 4Si-4. 5Cu合金挤压铸造件经过热处理后，改善了其显微组织，进而能提高其力学性能。

2.3.2不同工艺参数下的显微组织对比

    图2是不同工艺下A1-12. 4Si-4. 5Cu合金挤压铸造件的微观组织，可以看出热处理前(图2a、图2b、图2c)、热处理后(图2d、图2e、图2f)不同工艺参数下微观组织的区别。在图2a中枝晶组织粗大，a-AI的排列也较为集聚，容易产生裂纹，在组织最为粗大的地方，由于组织的不均，各种缺陷的集聚，就容易使材料成为废品。在图2f中组织细小，分布也较为均匀，硬度也明显提高，由于没有粗大组织的集聚，就会减少很多缺陷，所以该工艺参数下的铸件的力学性能是比较好的。

2.4不同工艺条件下断口形貌

    图3是不同工艺下Al-12. 4Si-4. 5Cu挤压铸造件的断口形貌，通过观察，可以看出热处理前(图3a、图3b、图3c)、热处理后(图3d、图3e、图3f)断口形貌的不同，可以看出所得断口形貌解理面逐渐减小，韧窝逐渐增多，铸件韧性也越来越好。

    在图3a中，断口形貌的解理面很大，而韧窝很少，具有脆性断裂特征，可以看到有裂纹，这种工艺参数下生产的铸件不易机加工。

    在图3f中，断口形貌的解理面很小，并且有大量的韧窝，具有韧性断裂特征。这种铸件的强度和韧性都比较好，易于机加工，所以选择在该工艺参数下进行挤压铸造。

3  结  论

    (1)经过热处理，大大提高了Al-12. 4Si-4. 5Cu合金挤压铸造件的力学性能，抗拉强度和硬度明显增加，但是韧性有所下降。

    (2)经过固溶时效热处理，Al-12. 4Si-4. 5Cu合金挤压铸造件的微观组织比热处理前的更加均匀、细小。

(3) Al-12. 4Si-4. 5Cu合金挤压铸造的最佳工艺是：浇注温度为680℃，模具预热温度为200℃，压力为200 kN，保压时间为14 s。

4摘  要 

 采用正交试验研究了浇注温度、挤压力、模具预热温度和保压时间等工艺参数对Al-Si-Cu合金的微观组织和力学性能的影响。在21_102合金中加入纯Cu，得到成分为Al-12. 4Si-4. 5Cu合金，进行了正交试验。结果表明，与普通铸件相比，挤压铸件微观组织更加细小均匀，力学性能显著提高，但韧性有所降低。Al-12. 4Si-4. 5Cu合金的最佳工艺方案是，浇注温度为680℃，模具预热温度为200℃，压力为200 kN，保压时间为14 s。热处理后，抗拉强度比热处理前高了106.8MPa，硬度(HV)比热处理前高了20。