合金元素Cu及稀土La對(duì)壓鑄鋁合金性能的影響

陸良宇，蘇 勇，胡 南

合肥工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，安徽 合肥230009

鋁工業(yè)在近兩百年的發(fā)展歷程中，由于鋁及鋁合金一系列獨(dú)特的優(yōu)良性能，使之發(fā)展速度非常快，已被廣泛應(yīng)用于交通運(yùn)輸、建筑裝飾、包裝容器、機(jī)械電氣、航空航天、電子通訊等領(lǐng)域中，已成為國(guó)家發(fā)展的重要基礎(chǔ)材料[1]．由于純鋁的抗拉強(qiáng)度較低、塑性較高、伸長(zhǎng)率較大，鑄造性能差，很難滿(mǎn)足實(shí)際使用要求，因此需要加入其它合金元素來(lái)對(duì)其性能進(jìn)行改善．本研究通過(guò)在鋁合金中添加不同含量的Cu和稀土La元素，研究它們對(duì)鋁合金壓鑄件性能的影響．

1 試驗(yàn)部分

1.1 試 樣

實(shí)驗(yàn)試樣為Al-Si系鋁合金，其由各原料熔煉制得．由于某些合金化元素的純金屬熔點(diǎn)很高，難以用于熔制鋁合金，因此為避免上述問(wèn)題，實(shí)驗(yàn)中熔煉制備試樣的原料采用的是純鋁、純鋅及Al-33%Si，Al-50%Cu，Al-10%Mn，Al-10%Mg，Al-10%Fe，Al-10%Ni和Al-10%La等合金元素的中間合金．設(shè)計(jì)七組實(shí)驗(yàn)試樣，采用完全相同的處理方式制備不同成分的合金試件，不同試樣的組成成分列于表1．

1.2 試驗(yàn)方法

首先將純鋁和純鋅放入干鍋爐中進(jìn)行熔煉，待金屬全部熔化后將金屬液表面熔渣清除，再加入所需的中間合金進(jìn)行合金化.待金屬全部溶化后將爐溫保持在740 ℃左右，然后加入虹光精煉劑對(duì)合金液進(jìn)行精煉，在精煉之前對(duì)精煉劑烘5 min以上，加入量為合金質(zhì)量的0.5%～0.8%.最后添加虹光清渣覆蓋劑，加入量為合金液的0.1%～0.3%，用扒渣勺輕輕翻攪灰渣，待灰渣表面呈黑色時(shí)將其清除，將金屬液保溫在700 ℃左右以備壓鑄生產(chǎn)．

將熔煉好的合金液加入到LK DCC500型冷室臥式壓鑄機(jī)中，壓鑄運(yùn)行參數(shù)采用模擬分析后的最佳組合參數(shù)，即澆注溫度670 ℃、壓射速度4 m/s、模具溫度240 ℃，在最佳組合參數(shù)下進(jìn)行壓鑄．圖1為實(shí)驗(yàn)試樣．

表1 試樣的組成成分

圖1 拉伸試樣(a)實(shí)驗(yàn)試樣；(b)拉伸試棒Fig.1 Tensile specimen(a) experimental sample; (b) tensile test bar

1.3 儀 器

采用線切割機(jī)分別在七個(gè)實(shí)驗(yàn)澆口杯的同一位置截取試樣，然后用砂紙進(jìn)行打磨、拋光，再用質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.5%的HF酸水溶液腐蝕10～20 s．

用MR2000型金相顯微鏡，對(duì)試樣進(jìn)行顯微組織觀察；用CMT5105型電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)，測(cè)定試樣的拉伸性能；用型號(hào)為HB-3000B的布氏硬度計(jì)，測(cè)試樣的宏觀硬度；用ARL3460的直讀光譜儀，對(duì)試樣進(jìn)行元素定量分析；用型號(hào)為JSM-6490LV型號(hào)的鎢燈絲掃描電子顯微鏡[2]，拍攝試樣的掃描照片．

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 Cu元素對(duì)鋁合金性能的影響

2.1.1 顯微組織分析

不同Cu含量試樣的顯微組織如圖2所示．從圖2可以看到：沒(méi)有添加Cu元素的1號(hào)試樣的組織中存在較大的片狀初晶硅，共晶硅分布比較集中且晶粒粗大，晶粒的二次枝晶間距也比較大(圖2(a))；隨著合金中Cu含量的增加發(fā)現(xiàn)共晶硅分布趨于均勻細(xì)小，晶粒的二次枝晶間距也有明顯減小的傾向(圖2(c)～圖2(d))．

在Al-Si鋁合金成分的基礎(chǔ)上添加Cu元素，Cu元素可以和Al形成二元共晶體(α-Al2Cu)，其起到強(qiáng)化作用．合金中加入Cu元素后發(fā)達(dá)的樹(shù)枝晶會(huì)發(fā)生破碎，使粗大樹(shù)枝晶端部發(fā)生鈍化且變?yōu)榧?xì)小的花朵狀晶粒，使合金晶粒形態(tài)發(fā)生改變，從而減輕合金的微觀偏析．由于α-Al2Cu金屬間化合物在凝固前期彌散析出，阻礙了晶界遷移而降低晶粒的長(zhǎng)大速度，在快速冷卻的條件下典型的樹(shù)枝晶會(huì)發(fā)生細(xì)化，使晶粒分布更加均勻，從而提高了合金的致密性．Cu元素的加入能夠顯著降低合金的液相線溫度，且Cu元素溶解度很小，因此可以形成較大的濃度過(guò)冷而促進(jìn)生核，還能使晶體的分枝形成細(xì)的縮頸，易于產(chǎn)生晶體增殖，因而能使晶粒顯著細(xì)化．

2.1.2 性能分析

圖3為不同Cu含量試樣的力學(xué)性能．從圖3可以看出，隨著Cu含量的增加，試樣的硬度及抗拉強(qiáng)度均有增大的趨勢(shì)，而伸長(zhǎng)率卻逐漸降低．這是由于Cu在Al-Si合金中可形成金屬間化合物(α-Al2Cu)，在凝固過(guò)程中α-Al2Cu以硬質(zhì)點(diǎn)強(qiáng)化相形式彌散析出且偏聚在晶界處，晶粒生長(zhǎng)時(shí)釘扎晶界阻礙晶粒生長(zhǎng)，從而細(xì)化合金鑄態(tài)組織．另一方面，Cu元素在α-Al基體中的溶解度隨溫度的變化而變化較大，在300 ℃時(shí)其溶解度僅為0.45%幾乎為零，在壓鑄快速冷卻條件下來(lái)不及析出而引起α-Al的晶格產(chǎn)生畸變，從而起到固溶強(qiáng)化的作用，因此壓鑄件的強(qiáng)度和硬度都大大挺高．但是Cu元素加入鋁硅合金中后，組織中會(huì)出現(xiàn)Si相、α-Al2Cu硬質(zhì)相及α-Al固溶體相，而α-Al相可分別與α-Al2Cu硬質(zhì)相及Si相構(gòu)成兩相共晶體，同時(shí)由相圖[3]可以發(fā)現(xiàn)，在520 ℃時(shí)它們?nèi)嗫梢詷?gòu)成三相共晶體．由于合金組織中共晶體量的增加，且在其周?chē)子谝饝?yīng)力集中，在外界拉力的作用下易于產(chǎn)生微小裂紋，從而降低了合金的塑性性能，所以隨著Cu含量增加壓鑄件的伸長(zhǎng)率降低．

成功的腦缺血再灌注模型使腦組織缺血缺氧壞死，壞死的腦組織不能被TTC染色而呈蒼白色，且壞死區(qū)域大多散在分布于皮質(zhì)，髓質(zhì)較少，未缺血缺氧的部分被TTC染成紅色。如圖3-4所示。

圖2 不同Cu含量試樣的顯微組織(a) w(Cu)=0；(b) w(Cu)=1.51%；(c) w(Cu)=1.98%；(d) w(Cu)=2.52% Fig.2 Microstructure of sample with different Cu content

圖3 不同Cu含量試樣的力學(xué)性能Fig.3 Mechanical properties of samples with different Cu content

在使用要求伸長(zhǎng)率不能低于3%且滿(mǎn)足性能要求前提下，Cu含量為1.98%的3號(hào)試樣的性能最佳，其硬度、抗拉強(qiáng)度及伸長(zhǎng)率分別達(dá)到95.1HB，240.82 MPa和3.84%．

2.2 稀土元素對(duì)鋁合金性能的影響

2.2.1 顯微組織分析

圖4為L(zhǎng)a含量不同試樣的顯微組織．從圖4(a)～圖4(b)可以看出：隨著合金中稀土元素La含量的增加，試樣的顯微組織更加均勻細(xì)小，晶粒二次枝晶間距顯著減??；當(dāng)La含量達(dá)到0.32%(6號(hào)試樣)時(shí)，共晶硅為極細(xì)小的纖維狀且沿晶界分布(圖4(b))；繼續(xù)增加稀土含量發(fā)現(xiàn)，稀土的細(xì)化程度降低并出現(xiàn)了比重偏析現(xiàn)象(圖4(c))．

圖4 不同La含量試樣的顯微組織(a)w(La)=0.14%；(b) w(La)=0.32%；(c) w(La)=0.51%Fig.4 Microstructure of sample with different La content

稀土元素在鋁中的固溶度很小，稀土元素在凝固時(shí)易在固液界面前沿富集而使前沿液相的濃度梯度增大，從而產(chǎn)生成分過(guò)冷現(xiàn)象，當(dāng)過(guò)冷度大于形核所需的臨界過(guò)冷度時(shí)，就會(huì)大大提高合金液形核率，從而減小合金的二次枝晶間距．稀土元素原子半徑(0.174～0.204 nm)比鋁(0.143 nm)和硅(0.12 nm)的大，共晶硅需反復(fù)調(diào)整生長(zhǎng)方向激發(fā)更多的孿晶，改變Si的生長(zhǎng)方式及形貌最終形成纖維狀的共晶硅，從而細(xì)化晶粒．稀土元素電負(fù)性較大且化學(xué)性活潑，易于與其他元素結(jié)合形成高熔點(diǎn)化合物，可促進(jìn)異質(zhì)形核現(xiàn)象，抑制柱狀晶的生長(zhǎng)，從而細(xì)化晶粒．當(dāng)稀土含量過(guò)高時(shí)，會(huì)產(chǎn)生大量的稀土夾雜，產(chǎn)生比重偏析現(xiàn)象，晶粒開(kāi)始變得粗大，細(xì)化效果更差[4]．

2.2.2 性能分析

圖5為L(zhǎng)a含量不同試樣的力學(xué)性能．從圖5可以看出：隨著稀土含量的增加，殼體的布氏硬度、抗拉強(qiáng)度和伸長(zhǎng)率均呈現(xiàn)先增大后降低的趨勢(shì)；當(dāng)稀土La含量為0.32%(6號(hào)試樣)時(shí)，試樣性能最好，其硬度、抗拉強(qiáng)度和伸長(zhǎng)率分別達(dá)到108.8HB，311.55 MPa和8.75%．

圖5 不同La含量試樣的力學(xué)性能Fig.5 Mechanical properties of samples with different La content

稀土在鋁合金中主要以三種形式存在，分別是固溶在基體α-Al中并偏聚在相界、晶界和枝晶界處，以及固溶在化合物中或以化合物形式存在．La元素在鋁中的固溶度很小，易于偏聚在晶界處產(chǎn)生稀土富集現(xiàn)象，產(chǎn)生的滑移阻力阻礙了晶界遷移，而且富集稀土?xí)斣诲e(cuò)，進(jìn)而阻礙晶粒的生長(zhǎng)，有效地提高合金的強(qiáng)度[5]．同時(shí)，微量La元素在凝固初期會(huì)促進(jìn)異質(zhì)形核的發(fā)生，抑制柱狀晶的產(chǎn)生，這均有利于改變共晶硅的大小及形態(tài)，提高材料的性能．另外，稀土元素對(duì)合金液中的氣體及氧化夾雜具有很好的凈化作用，能夠顯著降低鑄件的氣孔率和夾雜缺陷.稀土與氫、氮可以生成高熔點(diǎn)化合物，其可大量吸附和溶解夾雜和氣體，從而降低鑄件的氣孔率；稀土還會(huì)與硫、磷等元素生成密度小、熔點(diǎn)較高的化合物，在凝固時(shí)化合物會(huì)成為結(jié)晶過(guò)程的異質(zhì)晶核，細(xì)化鑄態(tài)組織而改善鑄件的性能．但若是La元素含量過(guò)高，合金組織中晶粒就開(kāi)始長(zhǎng)大，且會(huì)形成比較粗大的針狀稀土金屬間化合物，其會(huì)對(duì)基體有割裂作用，從而極大地削弱鑄件的性能．

2.3 Cu及La元素對(duì)鋁合金性能影響的對(duì)比分析

通過(guò)以上分析可以發(fā)現(xiàn)：Cu元素含量為1.98%的3號(hào)實(shí)驗(yàn)壓鑄件的硬度和抗拉強(qiáng)度相對(duì)于無(wú)添加Cu元素的1號(hào)試樣分別提高了46.2%和30.5%，但伸長(zhǎng)率降低了47.4%；而添加了0.32%的La元素的6號(hào)試樣的硬度、抗拉強(qiáng)度及伸長(zhǎng)率分別達(dá)到了108.8HB，311.55 MPa和8.75%，相比于無(wú)添加Cu元素的1號(hào)試樣分別提高了61.2%，51.5%和63.9%．表明在Al-Si鋁合金中同時(shí)添加1.98%的Cu和0.32%的La元素的壓鑄件的組織性能最佳．

分別對(duì)1號(hào)、3號(hào)和6號(hào)試樣的拉伸斷口進(jìn)行SEM掃描，分析斷裂形式，驗(yàn)證以上結(jié)果．用JSM-6490LV型鎢燈絲掃描電子顯微鏡進(jìn)行斷口掃描分析，并對(duì)某些區(qū)域進(jìn)行能譜分析，分析結(jié)果如圖6所示．

圖6 試樣拉伸斷口的形貌(a)1號(hào)試樣；(b) 3號(hào)試樣；(c) 6號(hào)試樣Fig.6 Morphology of tensile fracture of specimen(a) sample No.1；(b) sample No.3；(c) sample No.6

觀察三組試樣斷口的宏觀形貌(圖6)可以發(fā)現(xiàn)，1號(hào)試樣的斷口垂直于拉伸載荷方向，呈較灰暗無(wú)定型的粗糙表面，有少量的反光小平面，可以初步判斷為脆性斷裂(圖6(a))；3號(hào)試樣的斷口呈晶粒狀，且相對(duì)齊平并垂直于拉伸方向，斷口上有很多強(qiáng)烈反光的小平面，即試樣斷裂的解理面，同樣可以初步判斷為脆性斷口(圖6(b))；而6號(hào)試樣的斷口角度與拉伸方向呈近似45°的平面形斷口，斷口顏色灰暗，且斷口處可以觀察到輕微的縮頸現(xiàn)象，故可以初步判斷為塑性斷裂[6-7](圖6(c))．通過(guò)對(duì)斷口形貌的對(duì)比分析還可以發(fā)現(xiàn)，1號(hào)試樣的斷口微觀形貌有河流狀花樣、“魚(yú)骨狀”及“舌頭”花樣等特征，幾乎看不到韌窩，呈典型的解理斷裂特征；3號(hào)試樣的斷口斷面上出現(xiàn)少量的小韌窩，表明材料的塑性稍有改善，同時(shí)還發(fā)現(xiàn)面上呈現(xiàn)出不同程度的晶粒多面體且立體感較強(qiáng)，為典型的沿晶斷裂特征；6號(hào)試樣斷口上分布著較為均勻的韌窩，但韌窩較淺，故相比于前兩個(gè)試樣其合金塑性最好，同時(shí)也可以發(fā)現(xiàn)斷口上分布著密集的撕裂棱線條，為典型的準(zhǔn)解理斷裂特征．通過(guò)對(duì)三個(gè)試樣斷口的分析，也進(jìn)一步驗(yàn)證了前述分析的可靠性．

3 結(jié) 論

通過(guò)對(duì)試樣的組織形貌、性能及斷口形貌特征研究發(fā)現(xiàn)，同時(shí)添加1.98%的Cu和0.32%的La元素的鋁合金性能最佳，相比于原始基礎(chǔ)材料，其硬度、抗拉強(qiáng)度及伸長(zhǎng)率分別提高了61.2%，51.5%和63.9%，表明鋁合金質(zhì)量有大幅度地提高．