稀土元素對(duì)Al-Si-Cu-Mg系壓鑄鋁合金組織和性能的影響

朱銳祥，秦新宇，胡 南，陸良宇

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

Al-Si系鑄造合金相比于其它系別的鋁合金，具有良好的綜合力學(xué)性能及原料成本較為低廉的特點(diǎn)而日益受到人們的關(guān)注，并被廣泛用于汽車、航空、軍工等領(lǐng)域中．ADC12鋁合金作為Al-Si系鑄造合金中的一員，經(jīng)壓鑄后因其鑄件的強(qiáng)度高、熱膨脹系數(shù)小、耐腐蝕性能高且切屑性能好，而被作為生產(chǎn)汽車發(fā)動(dòng)機(jī)缸體、缸蓋及引擎齒輪箱的理想材料．但由于ADC12鋁合金組織中存在不少塊狀、板條狀、長針狀的Si相及枝晶粗大的α-Al相，這些因素阻礙了該合金力學(xué)性能的提升．因此，在工業(yè)生產(chǎn)中為了提高鋁合金的綜合力學(xué)性能，經(jīng)常會(huì)對(duì)合金進(jìn)行變質(zhì)細(xì)化處理[1-3]．

研究表明，稀土元素能與多種元素發(fā)生反應(yīng)并形成穩(wěn)定化合物，可以凈化合金液體，改善合金鑄件的微觀組織和鑄造缺陷，增強(qiáng)合金的力學(xué)性能[4-7]．因此，針對(duì)ADC12鋁合金，采用單項(xiàng)實(shí)驗(yàn)法分別向合金中加入不同種類、不同含量的稀土元素，旨在分析稀土元素對(duì)壓鑄鋁合金組織與性能的影響規(guī)律．

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 試 樣

實(shí)驗(yàn)所需材料為ADC12鋁合金，其成分含量如表1所示．

表1 ADC12鋁合金成分含量

采用單項(xiàng)實(shí)驗(yàn)法向ADC12鋁合金中添加不同量的Ce，La及Sm稀土元素，稀土元素是以Al-La中間合金、Al-Ce中間合金、Al-Sm中間合金的形式加入的，它們?cè)诤辖鹬械募尤肓咳绫?所示．

實(shí)驗(yàn)的試棒采用壓鑄工藝制備，試樣的形狀及尺寸如圖1所示．

表2 合金中稀土元素添加量

圖1 試樣形狀及尺寸圖Fig.1 Sample shape and size

1.2 方 法

首先將熔煉所需的鐵器工具如攪拌棒、撇渣勺、鐘罩等進(jìn)行清潔，在除銹清潔工作完成后將鑄造涂料(質(zhì)量分?jǐn)?shù)為30 %的滑石粉(CaCO3)、3%的中性水玻璃及67%的蒸餾水的混合物)均勻涂抹在鐵器工具的表面，隨后將鐵器工具置于250 ℃的保溫爐內(nèi)進(jìn)行時(shí)長為1.5 h的烘烤，去除其表面的水分．然后用天平稱取熔煉時(shí)所需的各合金原料，待原料經(jīng)鋁合金清洗劑清洗去污后放入溫度為200 ℃的保溫爐中進(jìn)行烘干，時(shí)長為2 h．最后將坩堝預(yù)熱到400 ℃后，將干凈、預(yù)熱好的ADC12鋁合金放入坩堝電阻爐中進(jìn)行熔煉，加熱到760 ℃后保溫，待鋁合金熔化后加入稀土中間合金，經(jīng)攪拌、精煉(精煉劑為C2Cl6)、靜置和打渣后，采用低壓冷室壓鑄方式將合金液壓鑄成試棒．

1.3 儀 器

用SG2-5-12型坩堝電阻爐進(jìn)行合金原料熔煉，熔煉結(jié)束后通過DCC400型臥式冷室壓鑄機(jī)將合金液壓鑄成試棒．用SYJ-150A型低速金剛石切割機(jī)切割出金相試樣，并在WX100型拋光機(jī)上進(jìn)行打磨直至無劃痕.用Zwick/Roll Z050型電子拉伸實(shí)驗(yàn)機(jī)測(cè)試合金試樣的力學(xué)性能，通過ZEISS-Imager型金相顯微鏡對(duì)合金顯微組織進(jìn)行觀察，運(yùn)用Image-Pro-Plus軟件對(duì)合金微觀組織中共晶硅相的平均面積及長徑比進(jìn)行分析．

2 結(jié)果及分析

2.1 金相組織觀察及分析

2.1.1 ADC12鑄態(tài)下顯微組織

圖2為無添加鑄態(tài)下ADC12鋁合金的顯微組織．從圖2中可看出：ADC12鋁合金微觀組織中淺灰色的為富Fe相，主要為塊狀、條狀，尺寸相對(duì)來說較大；深黑色的為共晶Si相，主要為板條狀、長針狀，并且棱角較為鋒利，合金受拉時(shí)容易引起應(yīng)力集中，從而降低合金的綜合力學(xué)性能；組織中白色的為α-Al相，其枝晶較為粗大、分布不均勻、排列交叉錯(cuò)亂、呈樹枝狀，在一定程度上還存在偏析現(xiàn)象，以及二次枝晶臂間距較寬，這些均阻礙著合金綜合力學(xué)性能的提升．

圖2 ADC12鑄態(tài)下顯微組織Fig.2 ADC12 microstructure under cast state

2.1.2 Ce元素對(duì)合金組織的影響及分析

圖3為添加不同量Ce元素鑄態(tài)下合金的金相顯微組織．從圖3(a)可見：當(dāng)w(Ce)=0.2%時(shí)，α-Al相得到了一定程度的細(xì)化，粗大樹枝狀α-Al枝晶減少，細(xì)小α-Al枝晶增多；富Fe相變?yōu)樾K狀，甚至顆粒狀；共晶Si形貌變成無鋒利的棱角，比較光滑且其尺寸明顯減?。畯膱D3(b)可見：當(dāng)w(Ce)=0.4%時(shí)，α-Al相出現(xiàn)了明顯的細(xì)化，粗大的α-Al枝晶基本消失，初生的α-Al相枝晶也處于細(xì)小的形態(tài)；富Fe相的分布也較為均勻，其形貌已逐步變?yōu)榧?xì)小顆粒狀，細(xì)化效果較為明顯；共晶Si相也以細(xì)小顆粒狀的形態(tài)分布在α-Al晶界上，此時(shí)變質(zhì)效果較佳，二次枝晶臂間距也降低許多，甚至有些α-Al晶粒邊界變得圓整了．從圖3(c)可見，當(dāng)Ce的加入量增至0.6%時(shí)，α-Al枝晶開始變得粗大起來，富Fe相細(xì)化程度也有所減弱，開始出現(xiàn)偏聚和長大的現(xiàn)象，此時(shí)共晶Si相又逐漸變?yōu)榧?xì)小短棒狀、條狀，細(xì)化效果有所減弱．

Ce元素能夠細(xì)化晶粒的原因是因?yàn)镃e原子可吸附在Si相表面，使Si在{111}晶面形成大量孿晶，促使共晶Si按孿晶凹谷機(jī)制多面生長，使共晶Si相變?yōu)榘魻罨蚶w維狀，從而達(dá)到細(xì)化共晶硅的作用．并且Ce元素能夠與合金中的Si，Cu，Mg和Mn等元素形成多元稀土合金相，這些稀土相能夠于固/液界面前沿產(chǎn)生富集，導(dǎo)致成分過冷的同時(shí)也阻礙了固液界面的移動(dòng)與α-Al相晶粒的長大，從而細(xì)化了晶粒．同時(shí)Ce元素在α-Al形核過程中，可以引起晶格畸變，一定情況下會(huì)與Fe相化合物反應(yīng)，從而改善了Fe相的形貌，削弱了Fe相對(duì)基體的割裂作用，達(dá)到細(xì)化晶粒的作用．當(dāng)合金中Ce元素的含量較大時(shí)，Ce元素會(huì)與熔體中的合金元素發(fā)生反應(yīng)并生成數(shù)量較多的粗大混合稀土化合物，使得液相中各溶質(zhì)原子的數(shù)量減少，進(jìn)而導(dǎo)致了液相平衡溶解度的降低，破壞了固液界面的穩(wěn)定性，致使二次枝晶臂間距增大，最終導(dǎo)致α-Al相晶粒變得粗大，降低了合金的力學(xué)性能．

圖3 加入Ce元素后合金的金相組織(a)w(Ce)=0.2%；(b)w(Ce)=0.4%；(c)w(Ce)=0.6%Fig.3 The metallographic structure of the alloy after adding Ce element

2.1.3 La元素對(duì)合金組織的影響及分析

圖4為添加不同量的La元素后鑄態(tài)下合金的金相顯微組織圖．從圖4可見，隨著w(La)增加，合金中的α-Al相晶粒尺寸變小、數(shù)量增多、排列較為緊密，而二次枝晶臂間距明顯減?。畯膱D4(a)可見，當(dāng)La的添加量為0.2%時(shí)，α-Al相得到了一定程度的細(xì)化，粗大的α-Al枝晶減少，細(xì)小α-Al枝晶增多．從圖4(b)可見，當(dāng)La的添加量為0.4%時(shí)，合金試樣的微觀組織變化最大，此時(shí)組織晶粒數(shù)量最多，幾何尺寸最小且大小相近，粗大的塊狀多邊形初晶硅消失，針狀的共晶硅也得到不同程度的細(xì)化，由長針狀變?yōu)槎贪魻睿瑤缀鯖]有粗大的樹枝晶存在，甚至有些晶粒邊界變得圓整了，此時(shí)二次枝晶臂間距最小，合金的抗拉強(qiáng)度增加．從圖4(c)中可見，當(dāng)La的添加量為0.6%時(shí)，α-Al枝晶開始變得粗大起來，合金微觀組織的改善效果有所下降．

因?yàn)長a元素在合金中的固溶度較低，基本不溶于α-Al基體，凝固過程中這些稀土相便會(huì)富集于固/液界面前沿，增大了熔體的過冷度，形成了一定數(shù)量的細(xì)小形核質(zhì)心，從而促進(jìn)了晶粒形核，提高了形核率，達(dá)到了細(xì)化晶粒的目的．而當(dāng)La元素的加入量過高時(shí)，合金中會(huì)形成大量的多元稀土化合物，這些化合物會(huì)聚集長大且形狀不規(guī)則，并釋放出大量的結(jié)晶潛熱，使得固-液界面前沿的溶質(zhì)濃度梯度的改善作用降低，致使晶粒粗化，進(jìn)而導(dǎo)致合金受力時(shí)容易引起應(yīng)力集中而產(chǎn)生裂紋，一定程度上降低了合金的力學(xué)性能．

圖4 加入La元素后合金的金相組織(a)w(La)=0.2%；(b)w(La)=0.4%；(c)w(La)=0.6%Fig.4 The metallographic structure of the alloy after adding La element

2.1.4 Sm元素對(duì)合金組織的影響及分析

圖5為添加不同量的Sm元素后鑄態(tài)下合金的金相顯微組織圖．從圖5可見：當(dāng)w(Sm)=0.2%時(shí)細(xì)化效果最為明顯，組織中樹枝狀α-Al枝晶得到了明顯的改善且大部分為等軸晶及一些被碎化的枝晶，共晶硅也出現(xiàn)細(xì)化且大多數(shù)呈纖維狀或短棒狀并呈均勻分布，同時(shí)組織中氣孔缺陷也得到了改善；隨著Sm含量的增加，合金組織的改善程度逐漸降低，當(dāng)w(Sm)=0.4%和w(Sm)=0.6%時(shí)，合金組織中又開始出現(xiàn)粗大晶粒，同時(shí)粗大針狀且分布不均勻的共晶硅相增多．

Sm元素有著細(xì)化晶粒的作用，其原因是：(1)合金中Sm元素的氧化物為合金提供了形核介質(zhì)，促進(jìn)了異質(zhì)形核，提高了形核率，使得鑄件組織中的晶粒數(shù)增加，晶粒變?。?2) Sm原子填補(bǔ)了α-Al枝晶表面缺陷的同時(shí)降低了固液兩相間的表面張力，阻礙了基體晶粒的長大，使鑄件組織中的晶粒細(xì)小且排列緊密．當(dāng)合金中Sm元素含量較高時(shí)會(huì)出現(xiàn)過變質(zhì)現(xiàn)象，合金中稀土相容易長大并出現(xiàn)團(tuán)簇的趨勢(shì)，致使稀土相不能均勻的分布在熔體中，起不到異質(zhì)形核的作用．同時(shí)，由于晶界處的稀土相含量過多，使得晶界變厚，從而減弱了其成分過冷的作用，導(dǎo)致晶粒細(xì)化效果減弱．

圖5 加入Sm元素后合金的金相組織(a)w(Sm)=0.2%；(b)w(Sm)=0.4%；(c)w(Sm)=0.6%Fig.5 The metallographic structure of the alloy after adding Sm element

綜上所述，加入稀土元素后合金組織出現(xiàn)了不同程度地細(xì)化．當(dāng)Ce，La及Sm的質(zhì)量百分含量分別為0.4%，0.4%和0.2%時(shí)，合金組織中晶粒細(xì)化效果最為明顯，其中Sm元素的變質(zhì)效果最佳．

運(yùn)用Image-Pro-Plus軟件，進(jìn)一步對(duì)稀土變質(zhì)后合金微觀組織中共晶硅相平均面積及長徑比進(jìn)行分析．圖6為加入稀土元素后合金中共晶硅相平均面積及長徑比變化情況．從圖6可見：加入稀土元素后合金中共晶硅相尺寸變小，而且明顯細(xì)化；隨著稀土元素加入量的提高，共晶硅的尺寸先下降后增加；當(dāng)Sm元素加入量為0.2%時(shí)，合金中共晶硅相尺寸達(dá)到最?。?/p>

2.2 稀土元素對(duì)合金抗拉強(qiáng)度的影響

添加Ce，La及Sm三種元素加入后，對(duì)經(jīng)壓鑄所得合金試棒進(jìn)行了拉伸實(shí)驗(yàn)，以研究稀土元素加入對(duì)合金的抗拉強(qiáng)度及延伸率的影響，未加入稀土元素合金的σ=285 MPa和δ=2.23%．圖7和圖8為抗拉強(qiáng)度與斷后延伸率對(duì)比曲線圖.從圖7和圖8可見，隨著稀土元素的加入，合金的抗拉強(qiáng)度與延伸率有著不同程度的提高，表明稀土的加入可改善合金的綜合力學(xué)性能．

圖6 加入稀土元素后合金中共晶硅相平均面積及長徑比Fig.6 Average area and aspect ratio of eutectic silicon phase in alloy after rare earth element addition

圖7 加入Ce，La和Sm后合金的抗拉強(qiáng)度Fig.7 Tensile strength of alloy after adding Ce, La and Sm

圖8 加入Ce，La和Sm后合金的斷后延伸率Fig.8 Elongation of alloy after adding Ce, La and Sm

隨著合金中Ce含量的增加，合金的抗拉強(qiáng)度先增后降，而延伸率一直增大．當(dāng)Ce加入量為0.4%時(shí)，合金的抗拉強(qiáng)度與延伸率分別為316MPa和2.41%，比基體合金提高了10.9%和8.1%．隨著合金中La元素含量的增加，合金的抗拉強(qiáng)度與延伸率皆是先增大后降低．當(dāng)w(La)=0.4%時(shí)，合金的抗拉強(qiáng)度與延伸率分別為305 MPa和2.66%，分別比基體合金提高了7.0%和19.3%．隨著合金中Sm元素含量的增加，合金的抗拉強(qiáng)度與延伸率也是先增大后降低．當(dāng)Sm加入量為0.2%時(shí)，合金的抗拉強(qiáng)度與延伸率均達(dá)到最優(yōu)，分別為331MPa和2.69%，比基體合金提高了16.1%和20.6%.

綜合分析可知，Sm元素對(duì)合金的綜合力學(xué)性能影響最大，Ce元素次之，而La元素影響最?。?/p>

3 結(jié) 論

添加稀土元素后，合金組織明顯的細(xì)化、組織中晶粒排列緊密，尺寸細(xì)小且相近，共晶硅呈現(xiàn)纖維狀或短棒狀，同時(shí)組織中氣孔缺陷也得到了改善，致使合金的綜合力學(xué)性能得到了很大的提升，其中當(dāng)Sm含量為0.2%時(shí)，合金組織細(xì)化效果最好．

隨著稀土元素的加入，合金的抗拉強(qiáng)度與延伸率有著不同程度的提高，其綜合力學(xué)性能得到了改善．其中在w(Ce)=0.4%時(shí)，合金的抗拉強(qiáng)度與延伸率分別比基體合金提高了10.9%和8.1%；當(dāng)w(La)=0.4%時(shí)，合金的抗拉強(qiáng)度與延伸率分別比基體合金提高了7.0%和19.3%；當(dāng)w(Sm)=0.2%時(shí)，合金的抗拉強(qiáng)度與延伸率分別比基體合金提高了16.1%和20.6%．表明，Sm元素對(duì)合金的綜合力學(xué)性能影響最大、Ce元素次之、La元素影響最?。?/p>