Microstructure and Mechanical Properties of Overcast 6101–6101 Wrought Al Alloy Joint by Squeeze Casting
Teng Liu 1, Qudong Wang 1,*, Yudong Sui 1, Qigui Wang 2
- National Engineering Research Center of Light Alloys Net Forming and State Key Laboratory of Metal Matrix Composite, Shanghai Jiao Tong University, 200030, Shanghai, China
- General Motors Global Powertrain Engineering, 823 Joslyn Avenue, Pontiac, MI 48340-2920, USA
A R T I C L E I N F O
Article history:
Received 11 March 2015
Received in revised form
25 March 2015
Accepted 10 April 2015 Available online
Key words:
Aluminum alloy Overcasting
Squeeze casting
Interface
Microstructure
Mechanical properties
The wrought Al alloy–wrought Al alloy overcast joint was fabricated by casting liquid 6101 Al alloy onto
6101 Al extrusion bars and solidifying under applied pressure. The joint interfacial microstructure was investigated; the effect of applied pressure on the microstructure and mechanical properties was evaluated. The mechanism of joint formation and mechanical behaviors of both squeeze cast 6101 and 6101– 6101 overcast joint material were analyzed. The results show that with the application of pressure during solidification process, wrought Al alloy 6101 could be cast directly into shape successfully. Excellent metallurgical bonding was then formed in the overcast joint by electro-plating 6101 solid insert with a layer of zinc coating, and a transition zone formed in the joint region. During the tensile test, the fracture occurs in the 6101 solid insert part with the ultimate tensile strength (UTS) of 200 MPa, indicating that the strength of the overcast joint is higher than 200 MPa, and the tensile strength of overcast joint material is independent on the magnitude of applied pressure. For Al–Al overcast joint material, if a clean and high strength joint is formed, the UTS and yield strength (YS) are determined by the material with the lower value, while for EL, the value is determined by the length proportion and the stress–strain behavior of both components.
Copyright copy; 2015, The editorial office of Journal of Materials Science Technology. Published by Elsevier Limited. All rights reserved.
1. Introduction
Aluminum materials are widely used to take advantage of their low density, corrosion resistance and combination of strength and formability, especially in the automotive and aerospace industries for lightweight applications[1]. Consequently, there is increasingly joining involved situations[2]. Several methods have been reported in fabricating Al–Al metal joints. These methods can be mainly divided into three categories: (i) solid–solid bonding, such as ex-
plosive welding[3,4], laser welding[5], friction stir welding[6,7], rolling[8,9], and surface activated bonding[10]; (ii) solid–liquid bonding, like overcasting[11–13]; and (iii) liquid–liquid bonding, like continuous casting bonding[14,15].
Overcasting is defined as a production technology where two metals, one in solid state while the other in liquid state, are brought into contact with each other, then a continuous metallic transition occurs from one metal to the other[16], which is also known as compound casting or solid–liquid casting. Due to its design flexibility, mass saving, manufacturing efficiency and low production cost,
* Corresponding author. Ph.D.; Tel.: 86 21 54742715; Fax: 86 21 34202794.
E-mail address: wangqudong@sjtu.edu.cn (Q. Wang).
it has drawn great attention in a variety of systems recently. Hajjari et al.[17] prepared lightweight Al/Mg couples with compound casting method. The interfacial microstructure was well characterized, and the relationship between the interfacial structure and shear strength was analyzed. Durrant et al.[18] produced Al–steel bimetal with squeeze casting method. A sound interface was obtained by interaction of the two metals, the interface region was well characterized and the mechanical properties were evaluated. Compound cast Mg– Mg joints were fabricated by Papis et al.[19]. A continuously metallurgic, defect-free and well-defined transition between AZ31 substrate and AJ62 magnesium cast alloy was achieved. However, overcast liquid metal onto Al substrate to make metal joints is difficult to prepare because solid aluminum is always naturally covered with an oxide film, which is thermodynamically stable and not easily wettable by metallic melts. The oxide film cannot be dissolved during the process and prevents the formation of a metallic bonding. Current overcasting structures rely on the “shrink-fit” between the casting layer and the substrate due to the large solidification shrinkage during overcasting, resulting in a relatively strong mechanical bond or interlock at the interface[20].
A lot of attention has been paid on exploring new surface treat-
ment to prepare Al solid insert involved in overcast joint. Zhang et al.[20] developed an “electropolishing anodizing” surface treatment
http://dx.doi.org/10.1016/j.jmst.2015.11.020
1005-0302/Copyright copy; 2015, The editorial office of Journal of Materials Science Technology. Published by Elsevier Limited. All rights reserved.
Fig. 1. Schematic illustration of the mold (a) and the tensile specimens in mm (b).
to disrupt the oxide film on the surface of Al–1 wt% Sn alloy, improving the wetting and metallurgical bonding between molten Mg and Al–1 wt% Sn substrate in bimetallic experiment. Another promi
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材料科学与技术 2015年11月第2篇。
阴6101、6101的显微组织和力学性能
挤压铸造铝合金接头
刘腾 1 ，王渠东 1 , 睢豫东 1， 王启贵 2
1上海交通大学金属基复合材料国家工程研究中心，金属基复合材料国家重点实验室，200030,中国,上海
2通用汽车全球动力总成工程，823乔斯林大街，庞蒂亚克，MI48340-2920，USA
文章历史:
收到于 2015 年 3 月 11 日
在修改过的形式下收到
2015 年 3 月 25 日
2015 年 4 月 10 日接受联机时可用
关键词:
铝合金，包边，挤压铸造，接口，组织，力学性能
在外加压力作用下，用铸造铝合金6101铝合金挤压棒材，在外加压力下凝固，铸造铝合金，铸造铝合金阴接头。接头界面组织结构对性能和机械组织施加的压力的影响。
分析了挤压铸造6101和6101、6101、种阴接头的形成机理及力学性能。结果表明，在凝固过程中施加压力，可以成功铸造铝合金6101。
采用电沉积6101固体插入层，在阴接头中形成良好的冶金结合，并形成了一个过渡区。
在拉伸试验中，6101部分发生断裂与固体插入的极限抗拉强度（UTS）200 MPa，说明阴接头强度大于200 MPa，阴接头材料的抗拉强度是独立上施加的压力的大小。
铝–铝阴接头材料，形成一个干净、高强度的接头，抗拉强度和屈服强度（YS）由低值材料决定的，而EL值由长度比例和构件的应力应变行为决定。
版权copy;2015，对材料科学与工程学报编辑部。出版
Elsevier有限公司。保留所有权利。
1.简介
铝材料广泛使用的优势是，他们的低密度，耐腐蚀，强度和组合成形性，特别是在汽车和航空航天工业对于轻量化的应用[1]。因此，越来越多新增的情况[2]。已报告的几种铝-铝金属接头的制备方法。这些方法可以主要分为三类：（一）固体–粘接牢固，如爆炸焊接[3,4,5]，激光焊接，搅拌摩擦焊[6,7]，滚动[8,9]，和表面活性键合[10].（二）固体–液相连接，像包边[11,12,13]；（三）液体–液相连接，如连续铸造粘结[14,15]。
测量的定义是生产技术的两个金属，一个在固体状态而另一个在液体状态，相互接触，然后连续的金属过渡时从一个金属进入另一个金属[16]，这也被称为复合铸造或固体–液态铸造。由于其设计灵活、节省质量、生产效率和生产成本低等问题，近年来受到了广泛关注。hajjari等人[17]。用复合铸造方法制备轻铝/镁复合物。界面微观结构的特点，并分析了界面结构和剪切强度之间的关系。Durrant等人[18]。 通过对2种金属的相互作用获得了良好的界面，并对界面区域进行了表征，并对其力学性能进行了评价。制备了复合铸造镁–镁关节。Papis等人[19]。实现了 AZ31 镁合金基体和 AJ62 镁铸造合金之间持续冶金、 无缺陷、 定义良好的过渡。然而，阴液金属到铝基板制造金属接头是困难的准备，因为固体铝总是自然地覆盖一层氧化膜，这是热力学稳定的，不容易润湿的金属熔体。氧化膜不能溶解的过程中，防止金属键的形成。电流测量在结构依靠“热缩”浇注层与由于凝固收缩的基板之间，产生了较强的机械结合或联锁接口处[20]。探索新的表面处理方法，以制备在阴接头中所涉及的新的表面处理是一个非常受到关注的问题。Zhang等[20]。 开发了一种“电解 阳极氧化”表面处理，以破坏铝1％（重量）的Sn合金表面上的氧化膜，提高熔融Mg和在双金属实验的Al-1％（重量）的Sn基片之间的润湿和冶金结合。图1 模具示意图(a)和mm拉伸试样（b）。
另一个很有前途的制备铝接头的方法是由Papis等人提出的[16]。通过用锌层代替氧化层。 AlMg1衬底和各种铝合金的关节控制的热条件下，在实验室Ar6.0气氛中规模制备。基于Papis的方法，Ruuml;bner等人[11]和克尔纳等人[21]专注于实现阴铝-铝联合的高压压铸。
然而，据我们所知，有限的研究主要集中在铝合金–锻造铝合金阴接头因为变形铝合金在铸造过程中，大量的缩孔将在其微观结构由于其长的凝固范围[22]产生；此外，裂缝会因为其高的热裂纹的趋势[23]。在最近的研究中，许多变形的铝合金组合物已成功地直接铸造成型的挤压铸造工艺[24]。挤压铸造是一种制造工艺，在压力下凝固的金属。对熔融金属在凝固过程中的应用压力会产生一系列的影响，如气缩孔减少，对显微偏析程度降低，凝固速率的变化和相位图的变化[25]。因此，在本次调查中，采用挤压铸造法，采用挤压铸造法制备了铁艺合金。这一工作是在6101铝合金上进行的，其强度高、导热性和导电性都很好。采用铸造铝合金6101铝合金，在外加压力下凝固，铸造6101铝合金的阴接头。在微观结构和6101-6101阴接头的力学性能施加的压力的影响进行了研究。讨论了界面的形成和断裂行为的机制。
2.材料和方法
2.1.材质及表面处理
用于商业6101铝合金（铝0.49％（重量）的Si-0.23％（重量）的Cu-0.92％（重量）的Mg-0.45％（重量）的Fe）锻造产生Al合金锻造的铝合金阴接头。固体插入在轧制状态被接收后，挤压铸造过程之前;所插入物切成60毫米times;10毫米times;2.5毫米的尺寸的矩形条。为了除去表面上的润滑剂剩余物和自然氧化物膜，所述固体插入物进行一系列的机械和化学预处理，包括用砂纸，脱脂，碱侵蚀，酸洗，第一锌处理，锌复治和抛光的第二锌处理。电镀法，操作到插入件材料，以制定一个统一的锌层的厚度为约5mu;m。
2.2.包边
直接挤压铸造用80吨立式液压机。模具预热到250°C.在挤压铸造过程中，电镀6101铝合金插入在模具的底部；然后液体6101铝合金熔体注入模具，在不同的施加的压力下凝固。所施加的压力值从0至90兆帕的变化，通过挤压铸造法产生的变形铝合金-铁艺合金。样品收到与Ф55mmtimes;50毫米的尺寸。该方法是在图示意性地表示。图1（a）。2.3.金相检验及力学性能测试
拉伸试样为6101–6101阴接头材料和挤压铸造6101把从圆柱试样的中间部分，然后切成矩形拉伸试样按ISO 6892-1:2009标准[26]。6101–6101阴接头材料的拉伸试样具有夹层结构（挤压铸造6101–阴接头–6101固体插入阴接头–挤压铸造6101）在测量部分的示意图，如图1所示（B）。拉伸试验是在室温下的8.33times;10-4秒-1的应变速率在Zwick /罗尔-20千牛材料试验机上进行。为了确保重复性，在每个测试条件下，至少有三个样品进行了测试。在界面区域的硬度也被测量。组织样品用金相方法制备、铭刻着凯勒的蚀刻剂（5毫升硝酸，盐酸3毫升，2毫升的HF，和190毫升蒸馏水）20 s，平均晶粒尺寸是根据ASTM e112-10标准确定。微观结构表征，用光学显微镜进行（OM）和扫描电子显微镜（SEM）配备的能量色散谱仪（EDS）。
3.结果和讨论
3.1.金相分析
这6101–6101阴接头的组织，且不同的施加的压力下制作的，如图2所示。可以观察到，没有任何缺陷或沿界面的不连续性。6101实心插入物和挤压铸造6101是明显分开的。6101实心嵌体的显微组织为典型的由细颗粒组成的轧制结构。。挤压的微观投6101显示了晶间空间花环般的alpha;-Al晶粒和均匀分散共晶相。共晶相组成的alpha;铝，Mg2Si和AlFeSi [27,28] 。图2 在不同的施加的压力做出的阴接头的OM和SEM照片：（A，B）0 MPa时，（C，D）30兆帕，（E，F）60兆帕，（G，H）90兆帕。
将熔融金属浇注到模具中，首先遇到了6101铝合金锌镀层。由于采用了含锌层的氧化物层的置换，使铝液与固体表面的润湿性达到了[16]。将锌层溶解于熔融金属中，然后将6101个固体插入物作为非均匀形核基质，用于[29]。冶金结合的形成由液体和固体材料和界面处温度的热物理性质决定[30]。浇注温度低，在没有冶金结合。在高严重浇注温度，不需要插入的融化发生。因此，为了达到冶金结合，浇注温度需要小心控制。
而对变形铝合金，当在重力铸造状态下，当阴接头受到严重的控制时，在界面处产生较大的裂缝。因为在变形铝合金在铸造过程中，大量的缩孔和裂纹将在其组织[22,23]产生。当在挤压铸造状态下的阴接头时，如图2所示，可以实现冶金接合。改善属性减少固有缺陷。它已被证明，缩孔和热泪可以施加压力[31]下完全消除。挤压铸造6101的平均晶粒尺寸随外加压力的增加而减小。用于挤压铸造6101的平均晶粒尺寸为0兆帕，30兆帕，60兆帕和90兆帕分别为127plusmn;8微米，118plusmn;6微米，114plusmn;3微米和96plusmn;6微米。
图3和4分别示出在阴接头区域横跨过渡区Mg和Si元素的溶质分布。因为6101的固体插入物材料[32]和相互扩散效应[29]，元素Si和Mg的局部过渡的部分熔融的开发。如可以观察到的，这两个元素Si和Mg示出了从6101插入材料侧跨越接口略有下降挤压铸造6101侧。局部过渡层等于过渡区的厚度，在图2中用蓝线标记。然而，当在重力铸造状态下的阴接头，这两个元素镁和硅显示一个突然变化的接口。6101插入和过渡区，挤压铸造6101和过渡区之间的界面边界是不明确的。因此，过渡区的宽度难以精确测量，但据金相分析和元素硅和镁的分布情况，可以推断，过渡区是约150至200mu;m为6101至6101个阴接头材料在施加压力为30至90兆帕。过渡区的宽度是独立于所施加的压力大小。
3.2.机械性能
3.2.1.硬度配置界面
维氏硬度在整个阴联合测量。6101固体插入维氏硬度、过渡区和挤压铸造的6101是在50–60范围内，65–75和80–100分别如图5所示。在可以观察到，当阴接头在重力铸造状态下，没有冶金结合，硬度变化突然。而当阴接头挤压铸造状态接收，过渡区的形式在界面区的硬度逐渐增加，从50-60到80-100。杂质及微量元素的溶解度会随着压力增加，导致硬度增加[ 25 ]。因此随着施加压力增加，挤压铸造6101的硬度增加。
图3 镁元素的界面分布。
图4 硅元素的界面分布。
3.2.2.拉伸性能的挤压铸造 6101 材料
图6显示了挤压铸造6101材料在不同的施加压力下的拉伸性能。图7显示了挤压铸造6101在不同的施加压力下的拉伸断裂表面的扫描电镜图像。可以观察到，挤压铸造6101比重力铸造6101显示出更有前途的机械性能。然后，随着施加的压力从30 MPa增加到90MPa，抗拉强度（UTS），屈服强度（YS）和伸长率（EL）增加。从断裂面可以推断出该合金在重力铸造条件下可由于熔融金属[ 22 ]低枝晶间流动的微观孔隙高分数相关的力学性能较低。当施加的压力为30兆帕，仍存在裂缝，其微观结构，如图7（乙，丙），然后随着施加的压力增加，裂缝消失。硬度分布在界面测量。硬度分布在界面测量。
图5 硬度分布的界面测量。
图6 挤压铸造的6101在不同的施加的压力下的机械性能。
对挤压铸造6101力学性能的改善是由于减少的收缩率和气孔、显微组织的细化[ 33 ]。目前，关于挤压铸造过程中的晶粒细化机理的研究一般有2种理论。第一个理论是在凝固过程中改善热的传输[ 34 ]。它已被广泛接受的空气间隙会在传统的铸造工艺形成，当一个固体壳形式和收缩由热收缩[35]冲模程。气隙是控制整体凝固行为[36]的一个重要因素。热通量可通过李等人提出的简化公式是合理的。[31]
h = K gap/ X gap (1)
K gap是气体的平均热导率， X gap是间隙的大小。随着施加压力的增加，模具的间隙减小，从而导致传热系数和冷却速度的增加。
第二个理论是相位图变化应用压力下的 [37] 。克劳修斯-克拉珀龙方程:
Delta;Tf/Delta;P = Tf( minus;Vs )/Delta;Hf (2)
Tf是平衡凝固温度， 和Vs分别是液体和固体，具体数量。Hf是溶解潜热。压力对冰点的影响可以粗略估计为 [25] :
P = P0 exp(minus;Delta;Hf R sdot;Tf ) (3)
P0、 Delta;Hf和R都是常量。随着压力P的增大， Tf应该增加，从而诱导较高的过冷度，并将导致形核率增加[38]。在本研究中，这些理论都是有效且同时活动的。可以得出结论，最后组织细化下施加的压力是增加的冷却速度和成核促进的结果。所以对挤压铸造6101，随着压力在凝固过程中的应用，相比与重力铸造，挤压铸造6101抗拉强度性能较好，之后，随着压力从30到90兆帕，越来越多的UTS，YS和EL都增加。
3.2.3. 6101-6101 阴联合材料的拉伸性能
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