浇注温度对Al_7Zn_2_5Mg_Cu合金组织和热裂性能的影响

浇注温度对Al －7Zn －2.5Mg －Cu 合金组织和热裂性能的影响黄胜1，陈晓2，陈淑婉1（１．运城学院机电工程系，山西运城０４４０００；２．福州大学机械工程及自动化学院，福建福州３５０１０８）摘要：采用约束棒法评定不同浇注温度下Ａｌ－７Ｚｎ－２．５Ｍｇ－Ｃｕ合金的热裂倾向，采用ＯＭ观察了合金的显微组织。

结果表明，不同浇注温度下，合金的显微组织均为等轴晶结构。

随着浇注温度升高，合金的晶粒粗化，晶间共晶数量减少，且由连续分布逐渐转变成半连续分布，热裂倾向增大。

但浇注温度为６８０℃时，合金出现浇不足缺陷。

在保证该合金充型能力的前提下，降低浇注温度是减少其热裂倾向的有效途径。

关键词：Ａｌ－Ｚｎ－Ｍｇ－Ｃｕ合金；浇注温度；热裂；显微组织中图分类号：ＴＧ１４６文献标识码：Ａ文章编号：１０００-８３６５（２０１３）０１-００７２-０４Influence of Pouring Temperature on Microstructure and Hot Cracking ofAl －7Zn －2.5Mg －Cu AlloysＨＵＡＮＧＳｈｅｎｇ１，ＣＨＥＮＸｉａｏ２，ＣＨＥＮＳｈｕｗａｎ１（１．ＤｅｐａｒｔｍｅｎｔｏｆＭｅｃｈａｎｉｃａｌａｎｄＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＹｕｎｃｈｅｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｙｕｎｃｈｅｎｇ０４４０００，Ｃｈｉｎａ；２．ＳｃｈｏｏｌｏｆＭｅｃｈａｎｉｃａｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇａｎｄＡｕｔｏｍａｔｉｏｎ，ＦｕｚｈｏｕＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｆｕｚｈｏｕ３５０１０８，Ｃｈｉｎａ）Abstract ：ＨｏｔｃｒａｃｋｉｎｇｓｕｓｃｅｐｔｉｂｉｌｉｔｙｏｆＡｌ－７Ｚｎ－２．５Ｍｇ－Ｃｕａｌｌｏｙｓｕｎｄｅｒｄｉｆｆｅｒｅｎｔｐｏｕｒｉｎｇｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｗａｓｅｖａｌｕａｔｅｄｗｉｔｈｃｏｎｓｔｒａｉｎｅｄｒｏｂｍｅｔｈｏｄ，ｔｈｅｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅｏｆｔｈｅａｌｌｏｙｗａｓｏｂｓｅｒｖｅｄｂｙＯＭ．Ｔｈｅｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｔｈａｔｔｈｅｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅｏｆｔｈｅａｌｌｏｙｓｕｎｄｅｒｄｉｆｆｅｒｅｎｔｐｏｕｒｉｎｇｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｉｓａｌｌｅｑｕｉａｘｅｄｇｒａｉｎｓｔｒｕｃｔｕｒｅ．Ｗｉｔｈｉｎｃｒｅａｓｉｎｇｐｏｕｒｉｎｇｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ，ｔｈｅｇｒａｉｎｓｉｚｅｏｆｔｈｅａｌｌｏｙｓｉｎｃｒｅａｓｅｓ，ｔｈｅｉｎｔｅｒｇｒａｎｕｌａｒｅｕｔｅｃｔｉｃｎｕｍｂｅｒｄｅｃｒｅａｓｅｓ，ａｎｄｉｔｓｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｉｓｔｒａｎｓｆｏｒｍｅｄｆｒｏｍｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓｔｏｓｅｍｉ－ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓｇｒａｄｕａｌｌｙ，ｈｏｔｃｒａｃｋｉｎｇｓｕｓｃｅｐｔｉｂｉｌｉｔｙｉｎｃｒｅａｓｅｓ．Ｈｏｗｅｖｅｒ，ｗｈｅｎｐｏｕｒｉｎｇｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｉｓ６８０℃，ｔｈｅａｌｌｏｙｈａｓｔｈｅｄｅｆｅｃｔｓｏｆｍｉｓｒｕｎ．Ｕｎｄｅｒｔｈｅｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓｏｆｅｎｓｕｒｉｎｇｔｈｅｆｉｌｌｉｎｇｃａｐａｃｉｔｙｏｆｔｈｅａｌｌｏｙ，ｒｅｄｕｃｉｎｇｐｏｕｒｉｎｇｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｉｓａｎｅｆｆｅｃｔｉｖｅｗａｙｔｏｒｅｄｕｃｅｈｏｔｃｒａｃｋｉｎｇｓｕｓｃｅｐｔｉｂｉｌｉｔｙ．Key words ：Ａｌ－Ｚｎ－Ｍｇ－Ｃｕａｌｌｏｙｓ；ｐｏｕｒｉｎｇｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ；ｈｏｔｃｒａｃｋｉｎｇ；ｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅ高强度Ａｌ-Ｚｎ-Ｍｇ-Ｃｕ系合金比强度高，焊接性能好，已被广泛应用于航空、航天和纺织等工业。

但传统的Ａｌ-Ｚｎ-Ｍｇ-Ｃｕ系合金大多铸造性能差，易热裂，需通过挤压、锻造等工序减少缺陷，提高致密度，以获得强度高、韧性好的零部件，因而对设备和模具的要求高，生产周期长，成本很高，且零件的复杂程度也受到限制。

改善合金的成形性能，用铸造方法生产零部件，具有价格低廉，易于生产形状复杂的零件，生产周期短，生产灵活等优点。

所以，开发低成本、高强度的铸造铝合金一直受到国内外铸造工作者的青睐。

目前，美国、俄罗斯以及国内都有关于Ａｌ-Ｚｎ-Ｍｇ-Ｃｕ高强度铸造铝合金的研究［１］。

但Ａｌ-Ｚｎ-Ｍｇ-Ｃｕ合金敏感的热裂倾向仍是其应用于铸造生产的一大障碍。

因为铸件一旦出现热裂，轻则需要焊合，重则报废，给企业带来经济损失［２］。

针对热裂缺陷，前期研究［３］中，通过成分优化，熔体处理已经设计出一种热裂倾向较低，热处理后强度高的铸造Ａｌ-７Ｚｎ-２．５Ｍｇ-Ｃｕ合金。

而对于特定成分合金，熔体的浇注温度（或过热温度）和模具温度也对合金的热裂性能有较大影响。

将模具加热到一定温度，能有效地降低合金的热裂倾向，这已经得到广泛认同［２，４］。

但合金的浇注温度对合金热裂倾向的影响，却存在很大争议［２，５］。

有学者认为，高的浇注温度可以减少热裂缺陷［６］，也有人认为，浇注温度增加会使热裂倾向加剧［７，８］。

且目前关于Ａｌ-Ｚｎ-Ｍｇ-Ｃｕ系合金浇注温度的研究报道还不多见，因此有必要展开这方面研究。

基于此，本文研究了熔体的浇注温度对Ａｌ-７Ｚｎ-２．５Ｍｇ-Ｃｕ合金组织和热裂倾向的影响，以期为Ａｌ-Ｚｎ-Ｍｇ-Ｃｕ高强度铸造铝合金研究和开发提供参考依据。

1试验材料与方法采用工业纯Ａｌ、纯Ｚｎ、纯Ｍｇ和纯Ｃｕ作为原材收稿日期：２０１２-０９-２２；修订日期：２０１２-１０-１８作者简介：黄胜（１９８６-），安徽合肥人，助教.研究方向：材料成形性能研究．Ｅ-ｍａｉｌ：４６３１６５９７８＠ｑｑ．ｃｏｍ铸造技术ＦＯＵＮＤＲＹＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹＶｏｌ．３４Ｎｏ．１Ｊａｎ．２０１３７２··利用金相分析软件将图１中晶粒尺寸和共晶数量进行测量，得到定量的数据，如图２。

从中可以清晰的看出合金的晶粒尺寸和共晶的体积分数随着浇注温度变化规律，即随着浇注温度升高，合金的晶粒度几乎呈线性增大，而晶间共晶组织的体积分数几乎呈线性减少。

2.2合金热裂性能的研究不同浇注温度下合金的热裂试棒实物见图３。

可以看出，浇注温度为６８０℃时，合金出现了浇不足缺陷，热裂棒除了最短棒充满成形外，其他圆棒均出现浇不足。

这是由于熔体的过热度低，液流前端不断与冷的型腔接触，散热最快，熔体流动距离越长，散失热量越多。

在次短棒、次长棒、长棒的型腔中，液流还没有流到小球型腔时，便已凝固，发生阻塞而停止流动［１２］。

当浇注温度７２０￣８００℃时，热裂试棒在不同位置发生裂纹，甚至断裂。

将图３中试棒上的裂纹和断裂换算成热裂倾向图１不同浇注温度下合金的显微组织Ｆｉｇ．１Ｔｈｅｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅｏｆｔｈｅａｌｌｏｙｓｕｎｄｅｒｄｉｆｆｅｒｅｎｔｐｏｕｒｉｎｇｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ图２浇注温度对合金晶粒度和共晶体积分数的影响Ｆｉｇ．２Ｉｎｆｌｕｅｎｃｅｏｆｐｏｕｒｉｎｇｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｏｎｇｒａｉｎｓｉｚｅａｎｄｖｏｌｕｍｅｆｒａｃｔｉｏｎｏｆｅｕｔｅｃｔｉｃ料，配制出Ａｌ-７Ｚｎ-２．５Ｍｇ-Ｃｕ合金，并在电阻炉内的粘土石墨坩埚中进行熔炼。

金属加入顺序依次为Ａｌ、Ｃｕ、Ｚｎ、Ｍｇ。

除气后加入０．５％的Ａｌ-５Ｔｉ-Ｂ细化剂，搅拌均匀，静置、扒渣后，在所需温度进行浇注。

采用约束棒法［３，９￣１１］评定合金的热裂倾向。

约束棒模具尺寸详见文献［３］，其材料为４５钢。

热裂倾向大小用HCS 表示，其计算方法见文献［９￣１１］，HCS 越大，热裂倾向越大。

为了考察浇注温度对合金热裂性能的影响，浇注温度分别选择为６８０、７２０、７６０、８００℃，模具温度保持在２００℃。

合金试样经研磨、抛光后，用０．５％ＨＦ溶液浸蚀，采用ＸＪＺ-６００型金相显微镜观察合金显微组织。

采用金相分析软件测量合金金相照片中的晶粒直径及共晶组织的体积分数。

每种合金取３张不同视场的金相照片，取其平均值。

2试验结果2.1合金显微组织观察图１显示了不同浇注温度下合金的显微组织。

可见，合金铸态组织均由基体晶粒（浅色区）和晶间第二相（深色区）组成，且基体晶粒为等轴晶结构，第二相沿晶界分布。

通过前文［３］分析可知，合金的基体晶粒为固溶了Ｚｎ、Ｍｇ的α（Ａｌ）固溶相，而沿晶界分布的第二相为α（Ａｌ）＋Ｔ（ＡｌＺｎＭｇＣｕ）共晶组织。

从图中还可以发现，浇注温度为６８０℃时，合金的晶粒最细小，共晶数量最多，且沿晶界呈连续分布，见图１（ａ）；浇注温度为７２０℃时，晶粒粗化，共晶数量有所减少，仍为连续分布，见图１（ｂ）；浇注温度为７６０℃时，晶粒尺寸更大，共晶数量更少，呈半续状分布，见图１（ｃ）；浇注温度为８００℃时，合金的晶粒最粗大，共晶数量最少，也呈半连续状分布，见图１（ｄ）。

《铸造技术》01/2013黄胜等：浇注温度对Ａｌ－７Ｚｎ－２．５Ｍｇ－Ｃｕ合金组织和热裂性能的影响７３··ＦＯＵＮＤＲＹＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹＶｏｌ．３４Ｎｏ．１Ｊａｎ．２０１３指数HCS ［９￣１１］，得到浇注温度对合金热裂倾向的曲线，如图４。

可以看出，除了浇注温度为６８０℃时，合金出现浇不足，无法计算HCS 外，合金的热裂倾向HCS 是随浇注温度的升高而增加。

类似的规律也出现在铝合金的半连铸过程中［１３］。

而浇注温度为８００℃时，其热裂倾向HCS 相比７２０℃时急剧增大。

这可能是温度过高，熔体的吸气量增多、氧化严重，缺陷增多，影响了熔体的质量，从而加剧了合金的热裂倾向。

3分析与讨论3.1浇注温度对合金组织的影响浇注温度影响合金的显微组织，随着浇注温度的升高，晶粒粗化，沿晶界分布的共晶数量明显减少（见图１和图２）。

之所以出现浇注温度升高，晶粒尺寸增大，是因为高的浇注温度减小了熔体的冷却速度，合金的过冷度减小，形核率减少，晶粒粗化。

这与康积行等的研究结果相似［１４］。

康积行等在研究铝锌基合金凝固时也发现，冷却速度影响合金的晶粒度和共晶数量及其分布，冷却较慢时，合金的晶粒粗化，共晶数量减少。

试验中浇注温度升高，共晶数量减少，可以通过不平衡结晶来解释。

图５为合金的等效二元相图。

图中L 为液相线，S 为固相线，S ′为不平衡结晶的固相平均成分线，过E 点的直线为共晶转变线。

假设合金固相无扩散，液相充分混合。

在平衡结晶条件下，熔体冷却极缓慢，其固相成分沿着固相线S 变化，液相成分沿着液相线L 变化。

在T １温度时，合金液开始结晶，在T ２温度时，已经结晶完毕。

T ２温度高于共晶温度，没有发生共晶转变，即只生成基体相α（Ａｌ），而不会出现共晶组织α（Ａｌ）＋Ｔ（ＡｌＺｎＭｇＣｕ）。

但在合金的实际生产中，凝固时熔体的冷却速度较快，过冷度大，属于非平衡结晶状态，固相平均成分沿着固相平均成分线S ′变化。

在T １温度时，开始析出先共晶相α（Ａｌ）。

冷却到T ２温度，还未完全结晶，直至T Ｅ温度时，仍然还剩一定量的液相。