有研科技集团: 挤压铸造大型7050铝合金轮毂研究

发布时间:2022-10-08

作者:特铸杂志

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超高强铝合金(主要指7xxx系铝合金)具有密度小、高强高韧、加工性能好等特点,不但是航空航天、国防军工领域的关键轻量化材料,近年来在汽车、轨道交通等行业的应用需求也越来越迫切。目前,大型7xxx系铝合金结构零部件的制备,由于这类合金的合金化程度高,偏析和热裂倾向严重,铸造性能不好,采用传统铸造方法很难成型完好的铸件,通常采用铸坯-塑性变形-机加工-热处理工艺路线,存在流程长,制造成本高的问题。

液态模锻(也称挤压铸造)综合了铸造成形和锻造加工的特点,是一种流程短、效率高、成本低的绿色成型技术,具有选材范围宽、成型变形力小、加工耗能小、锻件组织均匀且致密、力学性能高等突出优点。由于熔体在压力下凝固充型且发生局部变形加工而得到所需形状的锻件,与传统压铸相比,液态模锻成型件补缩更彻底,易于消除各种缺陷;与热锻件相比,其成形更容易,成型力小,能够制备形状更复杂的零件,因此液态模锻技术研究一直受到国内外学者广泛关注。随着近年来半固态成形技术及应用研究的不断深入,集具液态易成型和固态高性能双重优点的半固态流变模锻成形技术非常契合这方面的需求,在高强铝合金近净成型方面更具发展潜力。

本课题将本研究团队研发的电磁控冷熔体处理方法与传统模锻工艺技术相结合,发展了高强铝合金流变模锻成型方法,开展大型7050铝合金轮毂流变模锻成型技术研究,考察流变成形条件下大型7050铝合金轮毂不同部位的微观组织及力学性能的变化规律,以期为7xxx系铝合金大型零部件近终成型工程化应用提供技术依据。

【研究方法】 

试验所用7050铝合金为自主配置,其原料为高纯铝锭、高纯镁锭、高纯锌锭、Al-50Cu、Al-5Zr以及Al-2Sc中间合金,其实测化学成分见表1。

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电磁搅拌法具有能量的高密度性和清洁性、优越的响应性和可控性、易于自动化、能量利用率高等优点,率先实现了产业化并获得了较为广泛的商业应用。采用自主研发的电磁控冷熔体处理方法(Inter-cooling Annular Electromagnetic Stirring, IC-AEMS) ,其示意图见图1。该技术是将熔体置于交变磁场下,由洛伦兹力驱动自发进行圆周运动,产生强剪切作用;同时在熔体中心放置冷却器,提高熔体的冷却速度且减轻电磁场的集肤效应,使熔体的温度场与成分场更加均匀。在进行熔体浇注前,将7050铝合金熔体在熔体处理装置中进行IC-AEMS(工作电压25 V,工作电流24 A,频率15 Hz)处理,并对收集器内处理好的合金熔体做短暂控温处理,准备浇注。

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流变模锻用模具结构见图2,成形件外径为470 mm,内径为220 mm,高度为120 mm,其中轮辋厚度为30 mm;成型用液压机及熔炼炉见图3。在流变模锻前预热模具,当模具温度上升至200 ℃左右时,分开上下模具,在其表面均匀喷涂脱模剂。当经IC-AEMS处理后熔体温度达到浇注温度时,将收集器内熔体定量浇注到模具型腔中,操作液压机进行流变模锻,保压一定时间后将成型件取出,随空气冷却。表2为流变模锻工艺参数。

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图2 大型7050轮毂流变模锻模具示意图

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图3 流变模锻用液压机及熔炼设备

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对成型的轮毂进行切割、取样,并且进行粗磨、细磨、抛光后,采用Zeiss光学显微镜观察金相组织。采用FOUNDARY MASTER PRO直读光谱分析仪对合金化学成份进行分析。铸件T6热处理制度为:固溶450 ℃×2 h+460 ℃×2 h+470 ℃×2 h水淬+时效120 ℃×24 h。力学拉伸性能测试按照国标GB/T228-2002规定进行加工、测试,拉伸试验是在CSS-4100电子万能材料试验机上进行的,拉伸速率为2 mm/min。

【研究结果】

采用流变模锻制备的大型7050轮毂实物见图4。铸件毛坯成型良好,外观无砂眼、气孔、裂纹等缺陷,铸件表面光滑。

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图4 大型7050铝合金轮毂流变模锻件实物图

图5为大型7050铝合金轮毂纵截面及取样观察位置,分别观察其彩色金相以及测定其化学成分。其中a、b、c处分别为轮辐内侧、中心、外侧,d、e、f处分别为轮辋顶部、中部、底部。其金相组织见图6。

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图5 大型7050铝合金轮毂纵向剖面图及金相取样观察及成分测定位置

可以看出,大型7050铝合金轮毂组织未发现宏观及微观缺陷,其晶粒均为细小的等轴晶,不同位置的晶粒尺寸有所区别,但不同的位置凝固过程略有区别。通过截线法统计不同位置的晶粒尺寸,其结果见图7。结合图6和图7,可知轮辐内侧a点和轮辋底部f点的晶粒尺寸最小,轮辐外侧靠近轮辋的c点晶粒尺寸最大,轮辐中心b点、轮辋顶部d点和中部e点晶粒尺寸相近。晶粒尺寸的变化说明a点和f点是最先凝固的位置,此处冷却速度快,过冷度高,导致晶粒尺寸较小,a点晶粒尺寸最小达到45.3 μm;而c点的晶粒尺寸最大,e点的晶粒尺寸也大于d和f点,在结构上看这两点属于厚大部位,且c点晶粒尺寸大于e点,说明c点处在热节的位置,即熔体最后凝固的区域,此处冷却速度慢,过冷度小,晶粒尺寸相对其他位置较大,达到102.7 μm。

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(a)a点  (b)b点  (c)c点  (d)d点  (e)e点  (f)f点
图6 大型7050铝合金轮毂不同位置的彩色金相组织照片

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图7 图5中不同取样位置的平均晶粒尺寸

将图6中不同位置的试样通过直读光谱仪测定其化学成分,其主要溶质元素的浓度结果见图8。可以看出,7050的主要溶质元素Zn、Mg、Cu的宏观偏析呈一致性,根据其取样检测位置,可以发现离金属模壁(或耐磨环)较近先凝固的部位如a点、b点、d点、f点溶质元素浓度小于熔体平均浓度,离热节较近最后凝固的部位如c点、e点溶质元素浓度大于熔体平均浓度,对于溶质分配系数K< 1的Zn、Mg、Cu元素,这种现象呈正偏析。对于所有的取样位置,Zn、Mg、Cu的宏观偏析率SZn< 2.39%、SMg< 3.14%、SCu< 3.71%,铸件整体的宏观偏析率处于较低水平,说明熔体电磁均匀化处理明显改善了大型铸件的成分场,降低了宏观偏析的程度。

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(a)Zn

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(b)Mg 

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(c)Cu

图8 图5中不同取样位置的主要溶质元素浓

T6热处理态下大型7050铝合金轮毂上不同位置处取样位置见图9。本体力学性能的检测结果见表3。

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图9 大型7050铝合金轮毂力学性能测试取样位置

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轮辐处的径向强度略高于轮辋处的轴向强度,但伸长率略低于后者。轮辐处的径向抗剪强度大约是径向屈服强度的0.57倍,符合工程上0.5~0.577倍左右许用屈服应力。结果可知大型7050铝合金轮毂流变模锻件各个部位的力学性能比较优异,已达到普通7050铝合金锻件的力学水平,可实现以铝代钢、以铸代锻目标。

【研究结论】 

(1)采用基于电磁控冷熔体处理方法发展的流变模锻成型技术可制备出细晶均质、力学性能达到常规锻件水平的7050铝合金轮毂铸件;

(2)流变模锻成型作为共性技术,可有望为解决高合金化的高强韧铝合金大型铸件直接铸造成型的技术难题提供新方法。


【文献引用】

郑瀚森,徐永涛,高志华,等.大型7050 铝合金轮毂流变挤压铸造技术研究[J].特种铸造及有色合金,2022,42(8);962-965.

ZHENG H S,XU Y T.GAO Z H, et al.Rheo squeezing casting of 7050 aluminum allov large scale wheel[J]. Special Casting & Nonferrous Alloys,2022, 42(8):962-965.