Al-5Ti-B及RE對(duì)擠壓鑄造7075鋁合金傳動(dòng)空心軸組織和性能的影響

何武強(qiáng)，陳振華，范才河，王燦讓?zhuān)?鼎

(湖南大學(xué)材料學(xué)院，湖南長(zhǎng)沙，410082)

Al-5Ti-B及RE對(duì)擠壓鑄造7075鋁合金傳動(dòng)空心軸組織和性能的影響

何武強(qiáng)，陳振華，范才河，王燦讓?zhuān)?鼎

(湖南大學(xué)材料學(xué)院，湖南長(zhǎng)沙，410082)

本文采用擠壓鑄造的方法制備了7075鋁合金傳動(dòng)空心軸，研究了Al－5Ti－B及RE對(duì)擠壓鑄造7075鋁合金鑄件微觀組織和力學(xué)性能的影響.結(jié)果表明：未加入細(xì)化劑的合金晶粒大小約為50μm，拉伸強(qiáng)度為454 MPa;加入0.29%RE的合金和1%A1－5Ti－B的合金，晶粒尺寸分別了減小到26μm和25μm，拉伸強(qiáng)度分別提高了16.3%和22.2%;同時(shí)加入0.29%RE和1%A1－5Ti－B對(duì)合金組織細(xì)化最為明顯，晶粒尺寸減小到18μm，拉伸強(qiáng)度提高了26.6%，達(dá)到575MPa，延伸率為8.16%，布氏硬度為184.

7075鋁合金;擠壓鑄造;傳動(dòng)空心軸;Al－5Ti－B;RE

隨著我國(guó)鐵路的不斷提速，機(jī)車(chē)簧下質(zhì)量對(duì)輪軌動(dòng)作用力影響也越來(lái)越明顯，降低簧下質(zhì)量是高速機(jī)車(chē)車(chē)輛設(shè)計(jì)時(shí)必須解決的一項(xiàng)技術(shù)難題［1］.采用密度較小的鋁合金件來(lái)替代機(jī)車(chē)上的鋼(鐵)件是降低車(chē)身自重的一種有效辦法，尤其是用鋁合金替代鋼來(lái)制備機(jī)車(chē)傳動(dòng)軸，可明顯降低機(jī)車(chē)簧下質(zhì)量，改善輪軌間作用力，提高機(jī)車(chē)的動(dòng)力學(xué)性能及安全性能［2－4］.因此，研究鋁合金傳動(dòng)空心軸具有重要的工程應(yīng)用價(jià)值.

7075鋁系合金屬于超高強(qiáng)度鋁合金，具有較高的比強(qiáng)度、比剛度和良好的綜合性能，在航空航天、交通運(yùn)輸?shù)阮I(lǐng)域已得到廣泛應(yīng)用.其中，最具代表性的為7075鋁合金，其抗拉強(qiáng)度最高可達(dá)800Mpa以上［5］.本研究以開(kāi)發(fā)機(jī)車(chē)用輕量化傳動(dòng)空心軸為目的，采用擠壓鑄造技術(shù)壓制了7075鋁合金傳動(dòng)空心軸5∶1縮比件，通過(guò)加入晶粒細(xì)化劑來(lái)改善7075鋁合金組織，經(jīng)力學(xué)性能測(cè)試、掃描電鏡(SEM)觀察和金相檢測(cè)等，全面的分析與探討了Al－5Ti－B和RE對(duì)擠壓鑄造7075鋁合金傳動(dòng)軸空心軸微觀組織和力學(xué)性能的影響，為機(jī)車(chē)傳動(dòng)空心軸的研制提供參考.

1 實(shí)驗(yàn)方法

1.1 合金的熔煉

選取工業(yè)Al塊、Zn塊、Mg塊、Cu，Al－5Ti－ B、混合輕稀土(Al－10%RE)為原材料，其中稀土和Al－5Ti－B以中間合金方式加入，合金化學(xué)成分如表1所示.合金的熔煉溫度為750℃，待合金完全熔融后，攪拌均勻，用六氯乙烷除氣、除渣.最后加少量的覆蓋劑，在730℃保溫靜置5分鐘，待熔液冷卻到700℃后進(jìn)行澆注.

表1 7075鋁合金的化學(xué)成分(wt%)

1.2 試驗(yàn)工藝方案

本實(shí)驗(yàn)采用擠壓鑄造方法制備了7075鋁合金傳動(dòng)空心軸5∶1縮比件，試驗(yàn)所用模具示意圖如圖1所示.模具預(yù)熱溫度為250℃，在315T立式液壓機(jī)上擠壓，壓制壓力為 160 MPa.在HBRVU－1875型號(hào)上測(cè)布氏硬度值.實(shí)驗(yàn)試樣經(jīng)拋光腐蝕后(腐蝕劑:2mlHF+3mlHCL+5mlHNO3+ 250mlH2O)，在MN6型臥式金相顯微鏡上觀察金相組織.從傳動(dòng)軸軸身沿軸向方向切取長(zhǎng)70 mm左右試樣制備成拉伸試樣，拉伸試樣經(jīng)475℃/12小時(shí)固溶和120℃/22小時(shí)時(shí)效處理，在WDWE200微機(jī)控制電子萬(wàn)能拉伸機(jī)上測(cè)試抗拉強(qiáng)度和伸長(zhǎng)率，拉伸速率為0.5 mm/min，同一條件下測(cè)試三根取其平均值.在配有能譜分析系統(tǒng)的FEI QUANTA－200型掃描電子顯微鏡上觀察合金拉伸斷口形貌并進(jìn)行分析.

圖1 實(shí)驗(yàn)用模具示意圖

2 試驗(yàn)結(jié)果

2.1 微觀組織

圖2給出了擠壓鑄造合金A、B、C、D的顯微組織，由圖2可見(jiàn)，在未加入晶粒細(xì)化劑的情況下，7075鋁合金鑄件中的初生α－Al主要呈現(xiàn)為發(fā)達(dá)的樹(shù)枝晶形態(tài)(見(jiàn)圖2A)，平均晶粒尺寸約50μm;加入0.29%RE的合金B(yǎng)時(shí)，合金鑄件組織以顆粒狀初生α－Al晶粒為主，出現(xiàn)少量的薔薇狀組織(見(jiàn)圖2B)，晶粒尺寸約為26μm;加入1%A1－5Ti－B的合金C時(shí)(見(jiàn)圖2C)，合金鑄件組織得到了較好的細(xì)化作用，晶粒變得更為細(xì)小、均勻，組織主要為顆粒狀的初生α－Al，同時(shí)還有少量細(xì)小的薔薇狀組織，平均晶粒尺寸約為25μm;當(dāng)同時(shí)加入0.29%RE和1%A1－5Ti－B時(shí)(見(jiàn)圖2D)，合金鑄件組織細(xì)化效果最為明顯，組織中初生α－Al為顆粒狀，平均晶粒尺寸約為18μm.

圖2 合金A、B、C、D微觀組織

B、C、D三種合金鑄件的金相掃描圖片及能普分析如圖3所示，圖中顯示了合金晶粒中的第二相，EDS分析顯示在合金晶粒中，第二相為L(zhǎng)a、Ce、Ti富集區(qū)，其化合物的化學(xué)方程式可以表示為Al3(Lax，Cey，Ti(1－x－y))，合金凝固時(shí)初生α－Al以第二相為晶核結(jié)晶，圖3b能普表明:在熔體中Al3La、Al3Ce首先形成，作為異質(zhì)晶核，然后初生α－Al以Al3La、Al3Ce為晶核結(jié)晶來(lái)提高形核速率，達(dá)到晶粒細(xì)化的效果.合金C中初生α－Al以Al3Ti為核心結(jié)晶(如圖3c所示)，來(lái)達(dá)到細(xì)化晶粒的效果.同時(shí)加入A1－5Ti－B和RE的合金D能普顯示(如圖3d所示):存在Al3Ti、Al3La，Al3Ce三種異質(zhì)晶核，它們可以單獨(dú)作為異質(zhì)晶核，也可以?xún)煞N或三種同時(shí)作為初生α－Al異質(zhì)晶核，使合金鑄件晶粒細(xì)化.

圖3 合金B(yǎng)、C、D的SEM微觀組織及能普分析

2.2 力學(xué)性能

合金鑄件的力學(xué)性能如表2所示，加入0.29%RE合金B(yǎng)和1%Al－5Ti－B的合金C的抗拉強(qiáng)度和延伸率相對(duì)于合金A都有較大的提高，表明RE和Al－5Ti－B在改善7075鋁合金鑄件組織方面有明顯的效果，合金的力學(xué)性能也得到較大的提高.同時(shí)加入1%Al－5Ti－B和0.29%RE的合金D的抗拉強(qiáng)度和延伸率進(jìn)一步提高，抗拉強(qiáng)度達(dá)到575MPa，延伸率為8.16%.同時(shí)，合金B(yǎng)、C、D的硬度也相應(yīng)的提高.晶粒細(xì)化劑細(xì)化了合金鑄件的組織，顯著的提高了合金的抗拉強(qiáng)度和延伸率，7075鋁合金傳動(dòng)空心軸的力學(xué)性能得到很大的提高.

表2 合金鑄件的力學(xué)性能

2.3 斷口掃描

圖4為7075鋁合金室溫拉伸斷口形貌，合金A室溫拉伸微觀斷口為沿晶斷口(圖4A)，材料為脆性斷裂.添加0.29%RE的合金B(yǎng)(圖4B)為沿晶和撕裂型混合斷口，材料為韌性斷裂，這是由于RE使合金組織得到細(xì)化，所以合金在其強(qiáng)度和延展性方面有較大的提高.圖4C為加入1%Al－5Ti－B的合金C的拉伸斷口形貌，其微觀斷口為撕裂型斷口，材料為韌性斷裂，材料的強(qiáng)度和韌性有較大的提高.圖4D為同時(shí)加入1%Al－5Ti－B和0.29%RE的合金D的微觀斷口形貌，斷口為韌窩和撕裂型混合斷口.

圖4 合金A、B、C、D室溫拉伸斷口形貌

3 分析與討論

Al－5Ti－B細(xì)化劑對(duì)鋁合金晶粒具有強(qiáng)烈細(xì)化作用，Al－5Ti－B的加入產(chǎn)生了大量的有效異質(zhì)形核核心Al3Ti，B的作用是生成硼化物，硼化物促進(jìn)了Al3Ti的生成和數(shù)量上的增加，即B會(huì)使包晶點(diǎn)左移，降低Al3Ti的溶解度，同時(shí)硼化物使Al3Ti生核加快，發(fā)生反應(yīng)為［6］:

TiB2+L1(液)→Al3Ti+L2，

從Al－Ti二元相圖［7］可知，當(dāng)Ti的含量超過(guò)0.15%時(shí)，合金將在665℃?時(shí)發(fā)生包晶反應(yīng)［6］:

此時(shí)的溫度比鋁的熔點(diǎn)高.因此包晶反應(yīng)產(chǎn)生的TiAl3表面的Al包層不易長(zhǎng)大，起到了細(xì)化晶粒的作用.包晶反應(yīng)理論強(qiáng)調(diào)由于固化而形核的重要性，認(rèn)為存在的Al3Ti顆粒通過(guò)包晶反應(yīng)使a－Al成核，而B(niǎo)促進(jìn)了Al3Ti的形核［8－11］.

稀土能降低晶核表面能，增大結(jié)晶凝固時(shí)的形核率.鋁與稀土形成的化合物在金屬液中可作為晶核提高形核率.而它們的微小的質(zhì)點(diǎn)則成為鋁結(jié)晶過(guò)程的異質(zhì)晶核.稀土與鋁合金形成彌散分布的高熔點(diǎn)的稀土化合物，它與基體之間結(jié)合牢固消除了分布在晶界的微量雜質(zhì)的有害作用，稀土與雜質(zhì)形成化合物在晶界析出改變了原來(lái)的固溶存在方式使夾雜物量降低.彌散于基體中稀土與金屬元素生成高溶點(diǎn)的金屬間化合物即消除粗大塊狀組織又穩(wěn)定晶界這些都起到了提高材料強(qiáng)度的作用.另外，稀土元素具有很高的化學(xué)活性，稀土元素極易與氣體(如氧)非金屬(如硫)生成相應(yīng)穩(wěn)定的化合物，這些稀土化合物熔點(diǎn)高、比重輕上浮成渣.特別是稀土有較強(qiáng)的去氫作用，添加稀土的鋁合金氫的含量明顯降低，這主要是由于稀土與氫有較大的親合力，能大量吸附和溶解氫，稀土與氫的化合物熔點(diǎn)較高，并且彌散分布于鋁液中，這部分以化合物形成的氫不會(huì)聚集形成氣泡，故可降低鋁的含氫量和針孔率.［12］.

RE可以有效抑制細(xì)化衰退現(xiàn)象，其原因是加入適量的稀土元素La、Ce等能降低鋁熔體表面張力，增加鋁熔體對(duì)TiB2顆粒表面的擴(kuò)張系數(shù)，既能充分發(fā)揮TiB2的異質(zhì)形核作用，又能防止TiB2的聚集長(zhǎng)大.A1－5Ti－B和RE中間合金的同時(shí)加入使它擁有RE和A1－5Ti－B二者的優(yōu)點(diǎn)，不僅使鋁合金熔體得到了良好的除雜效果，并且使它們對(duì)晶粒的強(qiáng)烈細(xì)化作用得以充分發(fā)揮，二者以適宜比例相匹配，可顯示出最佳的細(xì)化效果［13－15］.

4 結(jié)論

(1)A1－5Ti－B及RE都有細(xì)化7075鋁合金晶粒的效果，均能改善合金組織，提高合金的力學(xué)性能.

(2)同時(shí)加入A1－5Ti－B和RE，其綜合了A1－5Ti－B和RE兩者的優(yōu)點(diǎn)，強(qiáng)烈的細(xì)化了7075鋁合金組織，大大提高合金的力學(xué)性能.

(3)7075鋁合金傳動(dòng)空心軸經(jīng)T6熱處理后，拉伸強(qiáng)度達(dá)到575MPa，延伸率為8.16%，布氏硬度為184.

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Effect of Al-5Ti-B and RE on structure and properties of squeeze casting 7075 aluminium alloy hollow axle of transmission shaft

HE Wu-Qiang，CHEN Zhen-Hua，F(xiàn)AN Cai-He，WANG Can-Rang，CHEN Ding
(College of Materials Science and Engineering，Hunan University，Changsha 410082，China)

The scaled pieces of 7075 Aluminum alloy hollow axle of transmission shaft was prepared by squeeze casting process.Study on effect of Al－5Ti－B and RE on microstructure and mechanical properties of 7075 Aluminum alloy.The results show that the grain size of alloy without refinement is about 50μm，Tensile strength is 454MPa;The grain size of the alloy with 0.29%RE and 1%Al－5Ti－B reduces to 26μm and 25μm.Tensile strength increases by 16.3%and 22.2%;Ddding 1%Al－5Ti－B and 0.29%RE in the alloy at the same time can reform microstructure mostly.The grain size of alloy reduces to 18μm，The tensile strength increases by 26.6%and comes to 575MPa，Elongation percentage is 8.16%and brinell hardness is 184.

7075 Aluminum alloy;squeeze casting;hollow axle of transmission shaft;Al－5Ti－B;RE

TG174.2 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1005－0299(2011)04－0145－04

2010－06－27.

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目資助(50974058).

何武強(qiáng)(1985－)，男，研究生，博士生導(dǎo)師;

陳振華(1945－)，男，教授，博士生導(dǎo)師.

(編輯 張積賓)