Al-Cu 系合金的真空压铸及热处理_【第一压铸】

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压铸是目前生产实际中应用广泛的铸造方式，它是一种高速高压下成型的工艺。但高速高压导致压铸件成型过程中容易卷气，热处理时受热膨胀，使其产生变形和鼓包，所以压铸件不能通过热处理来提高性能。真空压铸是在传统压铸技术的基础上辅以对型腔抽真空，抽除了模具型腔内大部分的气体，只有少量气体残留在铸件中形成气孔，使得到的铸件致密度显著提高，同时可以进一步进行热处理，从而大大提高其性能。

Al-Cu 系铸造合金具有较好的强韧性，现有已工业化生产的高强韧铸造铝合金几乎全是 Al-Cu 合金。但是由于其结晶间隔宽，铸造性能差，铸造过程中容易出现热裂、疏松、偏析等缺陷，限制了它在压铸工艺上的使用。目前 Al-Cu 铸造合金主要铸造工艺为带冷铁的砂型铸造。但试验结果表明同种材料砂型铸造试样的抗拉强度仅是金属型铸造的 80%左右;砂型铸造试样的伸长率仅有金属型铸造的 22%～44%。这造成了Al-Cu合金性能的极大浪费。因此，特别需要加强 Al-Cu 系铸造合金的成形性能和成形技术方面的研究，充分发挥其高强韧的特点，从而开发高强韧铸造铝合金。

本文旨在利用自主开发的真空压铸系统进行铝铜合金的真空压铸实践，研究 Cu 含量及 T6 热处理工艺对 Al-Cu 系合金普通压铸和真空压铸合金拉伸性能的影响，为真空压铸在实际生产中的应用以及铝铜合金在真空压铸上的使用提供一定的实践基础和指导意义。

1 试验条件和方法

试验采用工业生产上使用较多的 Al-Cu 系铸造合金 ZL201 合金为试验合金，其优点在于综合性能好，成分简单，其名义化学成分见表 1。

试验材料为 A00 铝锭、Al-50Cu 中间合金、Al-20Mn 中间合金、Al-10Ti 中间合金，精炼剂为混合精炼剂。试验中压铸设备采用力劲 DCC630M 卧式冷室压铸机，真空压铸设备为本课题组自行开发的真空系统，热处理设备为 SＲX2-5-12 试验室电炉和 WＲN1N 型热电偶。压铸前，金属模具需预热到180 ℃，该模具模芯材料为 H13 钢，模架材料为 45 钢。

试验过程中凡与铝熔体接触的所有工具以及坩埚均须刷涂料并在 200 ℃下保温 2 h 待用，在 200 ℃时往电阻炉坩埚中放入 A00 铝锭、Al-20Mn、Al-10Ti 中间合金，然后升温至 740 ℃ 加入 Al-50Cu 中间合金。熔清后搅拌均匀，740 ℃保温 20 min 后进行精炼。精炼后搅拌熔体10 min，然后静置状态下自然降温到700 ℃。保温 20 min 后，将金属液浇注到压室中，进行压铸。

压铸件冷却后，取其中的标准拉伸试样，打磨光滑，进行热处理后，在 CMT-5105 万能试验机上进行拉伸试验。标准拉伸试样尺寸见图 1。

将拉伸试样拉断后，用锯子将断口锯下，厚度在1 cm 左右。取得断口后尽快在 SEM 下进行观察。从拉伸试样近浇口端离底部 20 mm 处切下试样、对试样进行磨平、机械抛光后，抛光表面用 0． 5% HF 水溶液侵蚀后，在 Axiovert 40MAT 型光学显微镜下观察显微组织。

2 试验结果和分析

2． 1 铜含量对压铸件性能的影响

为研究 Cu 含量对真空压铸 Al-Cu 合金性能的影响，试验对比了 Cu 含量(质量分数，下同)为 4． 6% 和 5%时的拉伸性能，结果见表 2。

由表 2 可以看出，普通压铸和真空压铸的情况下，含铜量为 4． 6%的合金试样抗拉强度和伸长率都高于含铜量为 5% 的合金试样。普通铸造中，ZL201 合金在 Cu 含量为 5%时，合金的综合性能最好。但本试验数据显示 Cu 含量为 4． 6%时的拉伸性能较 Cu 含量为 5%的合金性能更好。推测虽然 5% Cu 的含量在普通铸造时综合性能最好，但由于压铸高速充型的特性对合金铸造性能要求更高，由图 2 可以看出，随着 Cu 含量的提高，Al-Cu 系合金的固液凝固区间变大，合金的流动性和充型性变差，从而影响铸件质量。因此，虽然 Cu 含量为 5% 比较适合普通铸造，但是对于压铸工艺，却不是最佳含量，还需要在实际生产中探索最适合的合金配比。

2． 2 T6 热处理对合金性能的影响

由表 2 可以看出，相比于普通压铸，真空压铸试样抗拉强度和伸长率都有所提高，但幅度不大。图 3 是普通压铸和真空压铸试样的显微组织图，二者组织差别不大，从而可以看出，真空压铸并不能改变铸件的凝固状态从而影响其显微组织，真空压铸只是在传统压铸技术的基础上辅以对型腔抽真空，通过降低铸件中气孔缺陷使铸件性能提高，从表 2 中数据可以看出，其综合性能提高的幅度不大。

从图 3 中可以看出，Al-4． 6Cu 合金试样压铸态的显微组织细小均匀，枝晶间分布着 θ ( CuAl 2 ) 和 T(Al 12 CuMn 2 )的共晶体。浅色枝丫状为 θ(CuAl 2 )相，该相在铝基体中溶解度随着温度的变化而变化，这也是 ZL201 合金能够热处理的基础;黑色团条状相是 T(Al 12 CuMn 2 )相，该相是不溶相;基体中浅灰色块状相是 TiAl 3 相，它可成为 α 相的结晶核心，有细化 α 相的作用。

为研究 T6 热处理对 Al-Cu 合金压铸及真空压铸试样性能的影响，对 Cu 含量为 4． 6% 的普通压铸和真空压铸拉伸试样进行 T6 热处理，热处理工艺为535 ℃ × 5 h 固溶，70 ～100 ℃水冷后再进行 175 ℃ ×3 h 时效。

热处理后试样外观见图 4，普通压铸件经过热处理后，表面鼓气严重，气孔大且多，而真空压铸试样的表面更光洁，气孔数量少，气孔体积小。气孔也表明该真空系统所达到的真空度还不够，需进一步提高真空度以达到热处理后不出现气泡的效果。

图 5 是 Al-4． 6Cu 合金真空压铸试样热处理后的显微组织照片，组织中除不溶的黑色团条状相T(Al 12 CuMn 2 ) 外，出现了密集的点状相，为热处理过程中析出的二次 T(Al 12 CuMn 2 )相，弥散分布于基体中起弥散强化作用，θ(CuAl 2 )相已溶入基体中，从而大大提高合金的力学性能。

热处理前后试样拉伸性能如表 3，可得 T6 热处理后，普通压铸试件的抗拉强度提升 7． 8%，伸长率降低 27． 3%，真空压铸试件的抗拉强度提升 12． 7%，伸长率降低 19． 7%;结果表明，热处理后的普通压铸和真空压铸试件的抗拉强度都有提高而伸长率都有所下降，综合力学性能得到很大的提升，与金相分析相符，热处理确实能提高铸件性能。

此外，真空压铸试件的综合力学性能指标提升幅度远远大于普通压铸试样的，可以得出，真空压铸降低铸件中气体含量，使得压铸件中的气孔数量减少体积减小，铸件在热处理过程中膨胀程度降低，使得压铸件致密度不致降低太大，气孔的割裂程度降低，在此情况下通过热处理改善铸件内部组织，从而可显著提升铸件的综合力学性能，因此开发可热处理的真空压铸 Al- Cu 合金对于工业生产中提高合金性能、降低成本具有重要意义。

2． 3 合金拉伸断口 SEM 形貌分析

图6(a，b)是含 Cu 量4．6%真空压铸试样热处理前的断口图，可以看出，断口没有明显的塑性变形，没有颈缩等特征，断口平坦且垂直于试件表面，所以在宏观上观察是典型的脆性断裂。微观下可以看到明显的解理台阶，以及长带状的河流花样，断口处有很多短而弯曲的撕裂棱线条、点状裂纹，所以在常温下，ZL201 合金的微观断裂方式是准解理断裂。准解理断裂源主要是晶粒内部的空洞、夹杂物、硬质点等，这是一种微观脆性断裂模式，这是因为 Cu 含量较高，合金的韧性较差。

图 6(c，d)是含 Cu 量4． 6%真空压铸试样热处理后的断口图，可以看出，宏观上，该断口没有明显的塑性变形和颈缩，断口平坦而且垂直于零件表面，断口边部没有观察到明显的剪切唇。裂纹源应在断面的中心部分，然后沿着径向辐射扩展。此外，在断面上还观察到有比较长而弯曲的撕裂棱，向各个方向延伸的都存在。所以宏观上该合金断裂模式是脆性断裂。微观图可以看出，中心部位是短而弯曲的撕裂棱交互下形成的台阶，是准解理断裂的主要特征。但是撕裂棱线条的四周，都是浅韧窝，韧窝的大小不均匀。而热处理前合金的断裂不存在韧窝，而热处理后，合金断口的微观形貌已经开始出现韧窝，这说明经过 T6 热处理后，合金的微观断裂形式已经发生改变，从脆性的准解理断面开始变为准解理断裂和韧窝断裂的混合断裂，这也是合金抗拉强度提高的原因。

3 结论

1) 真空压铸和普通压铸工艺条件下，Cu 含量为 4． 6%时合金拉伸性能都好于 Cu 含量为 5% 的合金拉伸性能。

2) T6 热处理后，普通压铸和真空压铸试样的抗拉强度都有较大的提高，但伸长率下降，且真空压铸试件表面更加光洁。

3) T6 热处理使得合金的微观断裂形式从脆性的准解理断裂变为准解理断裂和韧窝断裂的混合断裂。