Ce含量對鋁硅合金組織與力學性能的影響

趙繼濤， 尹冬松， 王振清

(1.黑龍江科技大學 理學院， 哈爾濱150022；2.哈爾濱工程大學 航天與建筑工程學院， 哈爾濱150001)

Ce含量對鋁硅合金組織與力學性能的影響

趙繼濤1,2， 尹冬松1， 王振清2

(1.黑龍江科技大學 理學院， 哈爾濱150022；2.哈爾濱工程大學 航天與建筑工程學院， 哈爾濱150001)

為研究稀土Ce對鋁硅合金的微觀組織和力學性能的影響，采用光學顯微鏡和掃描電子顯微鏡觀察合金的顯微組織，并測試了常溫顯微硬度和沖擊性能。結果表明：細化劑Al-5Ti中添加稀土Ce，鋁硅合金的顯微組織α-Al相由樹枝狀過渡到塊狀、球狀，共晶Si由針狀變?yōu)榱睢⒍贪魻?，晶粒尺寸變小，合金的硬度、沖擊性能也明顯提高。Ce質量分數(shù)為0.6%時，鋁硅合金的晶粒改善最為明顯，組織更加均勻；合金硬度較高，為479.51 MPa；合金的沖擊韌性最大，達到28.95 J/cm2，較未添加Ce時提高了53.5%；合金斷口開始出現(xiàn)少量韌窩，發(fā)生混合型斷裂。

鋁硅合金； Ce； 微觀組織； 力學性能； 斷口分析

鋁合金質輕，鑄造、焊接等性能良好，但常規(guī)鑄造的鋁合金晶粒比較粗大，導致其力學性能降低，因此，在工業(yè)上大量推廣和應用鋁合金，首先要解決其晶粒細化問題。向鋁熔體中添加細化劑是鋁合金結晶組織微細化處理最簡便且有效的方法，開始是以Ti、B、Zr等元素的鹽類化合物加入，如K2TiF6，KBF4等，20世紀90年代后，以加入Al-Ti、Al-Ti-C和Al-Ti-B為代表的新一代細化劑應用最為廣泛[1-3]。另外，大量研究發(fā)現(xiàn)在鋁合金中添加稀土元素能夠有效除氫和減少氧化物夾雜、細化晶粒，從而改善合金的力學性能[4-6]。因此，筆者將稀土Ce以中間合金的形式加入到鋁合金熔體中，觀察Ce含量不同時鋁硅合金組織的變化，并分析其對鋁硅合金力學性能的影響。

1 實驗材料與方法

1.1 材料制備

制備Al-7Si-1(Al-5Ti-xCe)的材料為純鋁塊(99.9%)、速熔硅(99.9%)、Al-5Ti-xCe中間合金，考慮燒損率，加入1.1%中間合金細化劑Al-5Ti-xCe。具體實驗過程：配料；坩堝電阻爐預熱至700 ℃保溫；加入純鋁塊，730 ℃保溫待鋁塊完全熔化；加入速熔硅并攪拌，保溫20 min；分別加入1～4號細化劑，保溫15 min；加入六氯乙烷精煉，靜置扒渣；澆注。試樣1～4中Ce質量分數(shù)分別為0、0.3%、0.6%、0.9%。

1.2 組織觀察

從制備鑄件的相同部位取樣，粗磨平整，用0～6號金相砂紙細磨，試樣表面無明顯劃痕后進行拋光處理，拋光液為Cr2O3水溶液。用體積分數(shù)為10%的HF水溶液腐蝕，采用光學顯微鏡和掃描電子顯微鏡觀察組織形貌。

1.3 力學性能測試

硬度采用正四棱錐體金剛石壓頭，在試樣的不同位置測三次取平均值；使用JB-30B型沖擊試驗機進行夏比沖擊實驗，缺口為V型。

2 結果與討論

2.1 Ce對顯微組織的影響

a w(Ce)=0

b w(Ce)=0.3%

c w(Ce)=0.6%

d w(Ce)=0.9%

圖1為稀土Ce不同添加量的Al-7Si合金的金相照片，放大倍數(shù)為100倍。由圖1可見，細化劑中不含稀土Ce時，鋁硅合金中初生α-Al呈樹枝狀，共晶Si呈針片狀，枝晶臂比較粗大，枝晶尺寸波動較大；w(Ce)為0.3%時，Si相變質不明顯，只是分布變得較分散，初生α-Al由樹枝狀轉變成塊狀；w(Ce)為0.6%時，α-Al基本上是塊狀、球狀，共晶Si變?yōu)榱?，尺寸較均勻；w(Ce)為0.9%時，變質的合金共晶Si為短棒狀，α-Al相也變成塊狀，但是晶粒尺寸分布不均勻，細化效果變得不明顯。圖1中晶粒平均尺寸依次為76.9、66.7、52.6和58.8 μm，圖1c中晶粒平均尺寸僅為a的68.4%。這說明細化劑中添加稀土Ce時，能明顯改善鋁硅合金組織，細化晶粒。分析認為，這是由于Ce質量分數(shù)增加，細化劑提供的異質形核質點也顯著增加；共晶Si形貌的改變，則可能是稀土作為大半徑原子，易于富集于共晶Si和鋁液界面前沿，形成活性膜層，阻礙了共晶硅的長大[7]。

2.2 Ce對硬度的影響

表1為添加Al-5Ti-xCe中間合金細化劑處理后的鋁硅合金顯微硬度測量結果。從表1可知，隨著稀土Ce質量分數(shù)的增加，鋁硅合金的硬度越來越大。當Ce質量分數(shù)為0.6%時，細化劑的細化效果最好，但經Al-5Ti-0.9Ce細化劑處理過的鋁硅合金的硬度值最高。原因是稀土元素幾乎不溶于Si或Al中，而是富集在共晶硅及共晶Si和Al相之間，使得共晶Si變得細小。由于Al-5Ti-0.9Ce細化劑中稀土元素含量最多，固溶強化和彌散強化共同作用，所以硬度最高。

表1 鋁硅合金顯微硬度和沖擊韌性

2.3 Ce對沖擊性能的影響

夏比沖擊實驗所得沖擊韌性實驗數(shù)據(jù)如表1所示。由表1可見，鋁硅合金試樣的沖擊韌性隨著細化劑中Ce質量分數(shù)的增加在逐漸增大，Ce質量分數(shù)為0.6%的鋁硅試樣沖擊韌性最大為28.95 J/cm2，較未添加Ce的試樣1沖擊韌性提高了53.5%。這是由于試樣3中鋁合金經細化后，α-Al基本上是塊狀、球狀，共晶Si相由原來的針片狀變?yōu)榱睿M織更加均勻，晶粒細化效果最好。試樣4和試樣1的沖擊韌性接近，原因可能是試樣4中Ce質量分數(shù)過高，Ce易與Al3Ti形成鋁鈦稀土復合相，使異質晶核Al3Ti的數(shù)量減少，反而損害了中間合金細化劑的質量，降低了細化效果[8]。

2.4 合金的沖擊斷口形貌

圖2為不同試樣沖擊斷口在掃描電子顯微鏡下1 000×的顯微形貌。圖2中試樣1分布著片層組織，微觀表面較為平坦，斷口上有河流花樣，斷裂以解里斷裂方式發(fā)生，表明合金的韌性很低而脆性很高，即合金發(fā)生脆性斷裂。試樣2合金斷口仍以片層組織為主，但出現(xiàn)撕裂棱，試樣3合金斷口出現(xiàn)了少量韌窩組織但分布不均勻，此時合金沖擊韌性最高，斷裂方式為準解理與韌性斷裂，即合金發(fā)生混合型斷裂。試樣4斷口有較多的光滑臺階面，斷裂方式仍以脆性斷裂為主，沖擊韌性有所降低。

a 試樣1

b 試樣2

d 試樣4

3 結 論

(1)由質量分數(shù)為0.6%的Ce細化劑變質的鋁硅合金晶粒改善最為明顯，組織更加均勻。

(2)經Al-5Ti-xCe細化后的鋁硅合金的硬度、沖擊性能均有明顯提高；稀土元素Ce質量分數(shù)為0.6%時，鋁合金的沖擊韌性最大，達到28.95 J/cm2，較未添加Ce時提高了53.5%。Al-7Si組織的細化是其沖擊韌性提高的主要原因。

(3)由試樣斷口顯微形貌可見，不含Ce細化劑處理后鋁硅合金斷口內部為片層組織，發(fā)生脆性斷裂。添加Ce后鋁硅合金出現(xiàn)韌窩組織，發(fā)生混合型斷裂，但以脆性斷裂為主。

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[2] 衛(wèi)少波, 王 璠, 牛志鵬, 等. Al-5Ti-1B細化劑對7075鋁合金組織與性能的影響[J]. 有色金屬加工, 2014, 42(6): 18-21.

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[8] 胡 華. 新型Al-Ti-B-RE細化劑的制備及其細化性能的研究[D]. 南寧： 廣西大學, 2014.

(編校 王 冬)

Effect of Ce content on microstructure and mechanical properties of Al-Si alloy

ZhaoJitao1,2,YinDongsong1,WangZhenqing2

(1.School of Science, Heilongjiang University of Science & Technology, Harbin 150022, China; 2.College of Aerospace & Civil Engineering, Harbin Engineering University, Harbin 150001, China)

This paper is motivated by the need for investigating the effect of Ce on the miscrostructure and the mechanical property of Al-Si alloy by observing the microstructure of alloy using optical microscope and scanning electron microscope; and by testing the micro hardness under normal temperature and impact performance. The results demonstrate that the addition of Ce into finer Al-5Ti gives the miscrostructure of α-Al a transition from dendritic to block, ball, allowing eutectic Si to change from needle into granular and short rod, with a resultant smaller grain size and significantly improved impact performance; and the presence of Ce mass fraction of 0.6% is associated with significantly improved properties of Al-Si alloy, resulting in a more homogeneous structure; a higher metal hardness(479.51 MPa); the largest alloy impact toughness, up to 28.95 J/cm2, 53.5% higher than before the addition; and an occurrence of a smaller amount of toughening in alloy fracture, an indication of a mixed fracture.

Al-Si alloys; Ce; microcosmic structure; mechanical properties; fracture analysis

2016-09-28

黑龍江省應用技術研究與開發(fā)計劃項目(GC13A104)

趙繼濤(1982-)，女，黑龍江省齊齊哈爾人，講師，博士研究生，研究方向：鋁合金組織及力學性能，E-mail：70882307@qq.com。

10.3969/j.issn.2095-7262.2016.06.013

TG146.21； TG113.2

2095-7262(2016)06-0649-04

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