· ·
基金项目：国家高技术研究发展计划（2003AA305420）和华南理工大学自然科学青年基金（305-E5041080）。
收到日期：2005-02-22收到初稿，2005-04-14收到修订稿。
作者简介：李彦霞（1979-），女，河南南阳人，硕士研究生，主要研究方向为挤压铸造铝合金。电话：020-87111983，E-mail：lyx473500@
不同压力下挤压铸造铝铜合金的组织与性能
李彦霞，倪东惠，赵海东，张卫文，李元元
(华南理工大学金属新材料制备与成形广东省重点实验室，广东广州510640)
摘要：采用挤压铸造工艺制备出一种新开发的、高强韧铝铜合金。T5热处理状态下其抗拉强度达到433MPa，伸长率
为14%。通过对该合金力学性能及其显微组织的研究表明，铸态和经T5热处理的抗拉强度和伸长率均随压力的增加而
增大，在压力为50MPa时达到最大值，但在铸态下，未加压力的铸造合金其硬度高于挤压铸造的合金硬度。随挤压力
增加，晶粒明显细化，二次枝晶增加，枝晶间距减小。
关键词：挤压铸造；铝铜合金；力学性能；显微组织
中图分类号：；TG291 文献标识码：A 文章编号：1001-4977（2005）08-0764-03
LIYan-xia，NGAITungwai,ZHAOHai-dong,ZHANGWei-wen,LIYuan-yuan
(AdvancedMetallicMaterialsResearchandProcessingTechnologyKeyLaboratoryofGuangdong
Province,SouthChinaUniversityofTechnology,Guangzhou510640,Guangdong,China)
Squeezecastingprocesswasusedtoproduceanewlydevelopedhighstrengthandhigh
!"#$%&’() *+,-. /01234 567 89:;< => ?@ ABCDEFGHI JKL MNOPQRSTU VW XYZ [\] ^_ ‘abcdefg hijk lmn o pqrstuv
wxy z{| }~
¡¢£¤ ¥¦§¨©ª«¬ ® ¯°± ² ³´ µ¶ ·¸¹º »¼½¾¿ÀÁ ÃÄ ÅÆÇ
ÈÉ ÊËÌÍ Î ÏÐÑ ÒÓ ÔÕÖ×ØÙÚÛÜÝÞß àáâãäåæçèé êë ìíîïðñòóô õö÷ øùúûüý þÿ !"# $%&’()* +,-./012 3 456789:
;<=> ?@AB CDE FGHIJKLM NOPQ RST U VWXYZ[\] ^_‘abcdefg hij klmn opq rs tuv wx yz{| } ~
castingsincreasewiththeappliedpressureandreachedamaximum atapressureof50MPa,
respectively，butthehardnessofthealloywithoutsqueezepressureishigherthanthatofthose
withtheincreaseofappliedpressure.
squeezecasting;Al-Cualloy;mechanicalproperty;microstructure
目前我国挤压铸造用材料主要是铝硅合金，其力
学性能较低，一般抗拉强度只有200~350MPa，对铝铜
合金的挤压铸造研究较少，与锻铝的力学性能相差较
大。国外研制了几种高强度铸造铝铜合金，如法国的
A!U5GT、美国的KO!1[1!4]。以挤压铸造代替锻造是发
展趋势之一，目前使用的挤压铸造铝合金其化学成分
是依据普通的铸造标准，研究表明，挤压铸造过程中
液态金属在挤压力下充型和成形，对合金的铸造性能
要求大大降低[5! 8]。因此，本研究组利用Cu、Mg、Mn
等合金元素自行设计了一种适合挤压铸造的铝合金，
其力学性能接近锻铝。本研究以不同的压力对该合金
进行挤压铸造，并对其显微组织及力学性能进行了研
究。
本研究使用自行设计的铝铜合金，在铸造铝合金
和变形铝合金基础上加入了Mg、Mn、Ti、V、B、RE
等微量元素，以增强材料的力学性能。合金的化学成
分见表1。
合金在石墨坩埚中熔炼，熔炼前将坩埚烧至暗红。
炉温在300~400时，同时加入Al-Mn和纯铝，高温时
加Al-Cu，Al-RE和Al-Ti-B，然后搅拌均匀。待炉料全
部熔化后，精炼除气、静置除渣。加少量覆盖剂后，
加Mg静置，搅拌均匀后在730浇注。
本试验使用直接挤压铸造法，铸件直径80mm、
厚30mm。模具材料为H13钢，经调质处理后再进行氮
化处理。模具结构如图1所示。
表 ! 合金的化学成分
"#$%& ! ’(&)*+#% +,)-,.*/*,0 ,1 /(& #%%,2 !3456
Cu
~
Mg
~
Mn
~
Ti
~
B
~
RE
~
Al
余量
铸 造
FOUNDRY764
· ·
图1 挤压铸造模具示意图
将模具预热到200!左右，用100t油压机进行挤
压铸造。挤压力为0、25MPa、50MPa和75MPa，挤
压速度为"
固。
将铸件切割并切削成圆棒试样(GB/T228!1976)，
金相试样取样位置如图1所示。每个铸件取3个试样，
部分做热处理，固溶采用（490!5）#保温8h，室温
水淬；时效采用（170!5）$保温6h，空冷。
图2为该合金在不同挤压力下的金相组织照片。
（a） 无压力，铸态 (b)25MPa压力，铸态 (c)50MPa压力，铸态
（d）75MPa压力，铸态 （e）无压力，T5热处理 （f）50MPa压力，T5热处理
图2 不同压力下金相组织
试样按照国标GB/T228!1987加工成拉伸试样，如
图3所示。
力学性能测试在微机控制万能材料试验机上进行，
试验结果取三个以上平均值。硬度试验条件为钢球压
头直径：，载荷：980N，加载时间：10s。
图4a和4b分别是不同挤压力下该合金的抗拉强度
!b和伸长率 " 性能曲线。图4c和4d分别是该合金的
HRB硬度和密度曲线。
由图4a和4b可见，铸态和经T5热处理的铝铜合金
其抗拉强度和伸长率均随压力的增加而增大，挤压力
为50MPa时其抗拉强度和伸长率最好，挤压力为75
MPa时抗拉强度和挤压力为50MPa时相差不大，而伸
长率和抗拉强度曲线趋势基本一致。从图4c可以看出，
无压力时铸态合金的硬度高于挤压铸造的合金硬度。
合金在T5热处理后力学性能明显提高。由图4d可以看
出，该合金在50MPa挤压力下，密度最高，这和其他
性能曲线是一致的。
根据Al-Cu-Mg三元相图，合金在结晶过程中首先
析出!(Al)初晶相，然后有L! ! (Al)%" (Al2Cu)二元
共晶反应及L!!(Al)&" (Al2Cu)’S（Al2CuMg）三元共
图3 拉伸试样图
铸造 李彦霞等：不同压力下挤压铸造铝铜合金的组织与性能 765
· ·
晶反应。另外，由Al-Cu-Mn三元相图，合金在结晶过 程中，还有可能析出!（Al12Mn2Cu）相及Al6Mn相 [9!10]。
(a)抗拉强度与挤压力 (b)伸长率与挤压力
(c)HRB与挤压力 (d)密度与挤压力
从图2a金相组织可以看出，无挤压力时合金形成
粗大的等轴晶，主要由 " 固溶体组成。由扫描电镜及
能谱分析可知，晶界分布 #相和共晶组织，晶内存在
少量颗粒状的 $相。由图2b可见，挤压铸造下合金在
结晶过程中形成数量较多的共晶组织。由于共晶组织
较软，因此在图4c中，挤压铸造的铸态合金其硬度反
而小于没有施加压力的铸态合金的硬度。综合观察各
压力下合金的的显微组织，随压力的增加，晶粒明显
细化，而且枝晶间距减小。这是由于随压力增加，模
具与铸件之间的热导率增加[11]，传热加快，过冷度增
大，因此晶粒逐渐变细，使得抗拉强度和伸长率有较
大的增加。但由4a和4b也可看出，50MPa之后继续增
加压力，对材料性能影响不大。
从图2e和图2f可以看出，合金热处理后，组织形
貌发生很大变化。首先在铸态下粗大的金属间化合物
在固溶处理时溶入 %基体，产生固溶强化。但由于含
铜量较大，因此 $相溶解不完全，一部分相残留在晶
界。另外，时效过程中从基体中析出大量细小弥散的
$相和多元金属间化合物质点，产生弥散强化。时效
过程中，固溶体析出Cu、Mg原子的富集区GP区和强
化相，因此热处理之后合金的力学性能明显提高。
（1）本研究制备出一种高强、高韧的挤压铸造铝
铜合金，在50MPa挤压力下铸造并经T5热处理后其抗
拉强度达433MPa，伸长率达14%。
（2）铸态和经T5热处理的铝铜合金其抗拉强度和
伸长率均随挤压力的增加而增大，挤压力为50MPa时
其抗拉强度和伸长率最好，伸长率和抗拉强度曲线趋
势基本一致。合金经T5热处理后力学性能明显增加。
（3）在50MPa和75MPa挤压力下，晶粒明显细
化，而且枝晶间距减小，抗拉强度和伸长率有较大增
加。再增大挤压力对材料性能没有明显的影响。
（4）挤压铸造下合金在结晶过程中形成数量较多
的共晶组织，硬度低于无压力铸态合金的硬度。
李德成，等.高强铸造铝合金A-U5GT及其应用[J].铸造，1998，
（11）：34"35
齐丕骧.挤压铸造[M].北京：国防工业出版社，1984
齐丕骧.挤压铸造合金材料的研究进展 [J].特种铸造及有色合
金，2004，（年会专刊）：63#66
罗继相.挤压铸造实用技术研究 [J].特种铸造及有色合金，
2004，（年会专刊）：67$69
HerreraA，[J].
AFSTransactions，1997，17：5%11
StefanosMSkolianos，GrigorisKiourtsidis，ThomasXatzifotiou.
Effectofappliedpressureonthemicrostructureandmechanical
propertiesofsqueeze-castaluminumAA6061alloy[J].Materials
ScienceandEngineeringA，1997，A231：17&24
FuchsEG，“ solutiontreatmentofcast
” [J].MetallurgicalTransactions， 1972，
（3）：1019’1020
FuocoR，CorreaER，CorreaAVO，
aluminumwheels[J].AFSTransactions，1997，92：893
龚磊清，金长庚，刘发信，等.铸造铝合金金相图谱[M].长沙：
中南工业大学出版社，1987
张士林，任颂赞.简明铝合金手册[M].上海：上海科学技术文献
出版社，2001
GallerneaultM， DurrantG，
hypoeutectic binary Al-Cu [J].Metallurgicaland Materials
TransactionsA，1996，27A：4121(4123
[1]
[2]
[3]
[4]
[5]
[6]
[7]
[8]
[9]
[10]
[11]
参考文献：
（编辑：张允华，zyh@）
FOUNDRY
图4 力学性能与挤压力的关系
766
