添加微量金屬元素影響AlSi7Mg合金性能的研究綜述

趙 娜, 朱隨群, 曹 懿

(天合汽車(科技)有限公司, 上海 201814)

AlSi7Mg合金是美國(guó)于20世紀(jì)70年代研制的鋁合金,具有密度小、比強(qiáng)度高、延展性好,以及鑄造流動(dòng)性好、氣密性好、收縮率小和熱力傾向小等優(yōu)點(diǎn),可通過熱處理和變質(zhì)處理提高其力學(xué)性能和耐腐蝕性。另外,AlSi7Mg合金具有價(jià)格合適和質(zhì)量輕等優(yōu)點(diǎn),常用于發(fā)動(dòng)機(jī)引擎鑄件,但會(huì)出現(xiàn)開裂問題。為了更好地滿足產(chǎn)品需求,可通過添加合金元素,細(xì)化共晶硅組織,形成Mg2Si第二相強(qiáng)化[1-2],增加其力學(xué)性能。因此,通過變質(zhì)處理以提高鑄造AlSi7Mg合金的力學(xué)性能和耐腐蝕性能對(duì)鋁合金的發(fā)展具有重要意義。本文綜述了微量金屬元素加入鑄造AlSi7Mg合金的研究進(jìn)展。

1 添加金屬元素對(duì)AlSi7Mg合金性能影響的研究進(jìn)展

研究者發(fā)現(xiàn),可以通過加入變質(zhì)劑,改變鑄造鋁合金的組織結(jié)構(gòu),從而提高其力學(xué)性能。本節(jié)對(duì)AlSi7Mg合金分別添加堿土金屬Sr、主族金屬Sb、過渡金屬Cu和Zr后的變質(zhì)效果進(jìn)行了綜述。研究結(jié)果如表1所示。

表1 添加金屬元素對(duì)AlSi7Mg合金力學(xué)性能的影響

1.1 加入堿土金屬Sr元素

Sr元素加入A356后,Sr元素本身并沒有明顯的晶粒細(xì)化作用,但是可以激活更多的形核核心,提高晶核形成溫度,降低共晶點(diǎn),通過影響凝固過程改善基體和第二相組織,提高力學(xué)性能。趙后亮等人[3]研究發(fā)現(xiàn),當(dāng)Sr元素含量為0.03%時(shí),其抗拉強(qiáng)度為204.00 MPa,伸長(zhǎng)率為10.40%,布氏硬度為62.4 HB,共晶硅為細(xì)小的纖維狀,合金性能最好。姜峰等人[4]研究發(fā)現(xiàn),當(dāng)在A356中加入0.04%的Sr元素時(shí),細(xì)小的顆粒狀和蠕蟲狀的共晶硅均勻分布在鋁基體上,其抗拉強(qiáng)度為215.00 MPa,伸長(zhǎng)率為4.04%,布氏硬度為56 HBW。與Sb元素和Cu元素相比,Sr元素價(jià)格略高。

1.2 加入主族金屬Sb元素

Sb元素加入A356變質(zhì)后,其合金性能比加入Sr元素更好,增加了合金的致密度,且Sb元素變質(zhì)效果具有長(zhǎng)效性。曾耀華等人[5]在A356合金中加入0.40%的Sb元素,發(fā)現(xiàn)合金的形核溫度降低,過冷度提高,且共晶Si組織從粗大的板條狀結(jié)構(gòu)變?yōu)榧?xì)小的纖維狀結(jié)構(gòu),力學(xué)性能也得到了很大提高,抗拉強(qiáng)度和伸長(zhǎng)率分別為189.00 MPa和11.30%,在T6熱處理后其抗拉強(qiáng)度和伸長(zhǎng)率分別為266.00 MPa和13.30%。申玉彬等人[2]研究認(rèn)為,Sb元素的變質(zhì)效果不如Sr元素,但在Sb元素的基礎(chǔ)上加入少量Re元素,可提高變質(zhì)效果。雖然其抗拉強(qiáng)度和伸長(zhǎng)率比Sr元素的變質(zhì)合金稍差,但是其疲勞性能明顯優(yōu)于加入Sr元素的變質(zhì)合金。

1.3 加入過渡金屬Cu元素

加入Cu元素后,合金組織可以細(xì)化,但加入Cu元素也會(huì)導(dǎo)致鋁硅鎂合金的硬度提高。SHABESTARI S G等人[6]在AlSi7Mg0.35合金中加入0.20%～2.50%的Cu元素時(shí),研究結(jié)果表明,不同的Cu元素含量對(duì)材料的性能具有很大的影響。朱志華等人[7]的研究結(jié)果表明,Cu元素能明顯提高A356合金的強(qiáng)度,不僅細(xì)化α-Al相,而且使共晶Si由棒狀轉(zhuǎn)變?yōu)榧?xì)小的顆粒狀。當(dāng)Cu元素的含量為2.5%時(shí),合金力學(xué)性能最佳,在T6熱處理后,其抗拉強(qiáng)度及伸長(zhǎng)率分別為322.00 MPa和4.60%。

1.4 加入過渡金屬Zr元素

Zr元素可以作為鋁合金中有效的細(xì)化晶粒和抑制再結(jié)晶的添加劑。夏峰等人[8]在A356鋁合金中加入少量Zr元素,結(jié)果表明,當(dāng)Zr元素的比重占0.05%～0.25%時(shí),具有明顯的α-Al細(xì)化效果且能改善共晶硅分布狀態(tài)。當(dāng)Zr元素的比重占0.20%時(shí),抗拉強(qiáng)度和伸長(zhǎng)率分別達(dá)到最大值175.11 MPa和4.80%。

2 添加稀土元素對(duì)AlSi7Mg合金性能影響的研究進(jìn)展

由于稀土元素不僅能夠細(xì)化共晶硅,而且在鑄造過程中具有除渣除氣的效果。因此,研究者對(duì)添加稀土元素影響變質(zhì)鋁合金的組織及其力學(xué)性能進(jìn)行了研究。研究結(jié)果如表2所示。

表2 添加稀土元素對(duì)AlSi7Mg合金的力學(xué)性能的影響

LI B等人[9]研究了Y元素對(duì)AlSi7Mg0.5合金的組織和力學(xué)性能的影響。當(dāng)Y元素的含量為0.30%時(shí),在T6熱處理下,其抗拉強(qiáng)度與伸長(zhǎng)率分別為353.00 MPa和12.10%。鄧月華等人[10]用稀土元素Y對(duì)AlSi7Mg0.3合金進(jìn)行了變質(zhì)處理,結(jié)果表明,加入Y元素可以細(xì)化共晶Si,合金強(qiáng)度稍有下降。但當(dāng)稀土元素Y的含量為0.06%時(shí),合金伸長(zhǎng)率可達(dá)12.50%。MAO F等人[11]研究發(fā)現(xiàn),采用Eu元素變質(zhì),AlSi7Mg合金中Si的第二相為纖維狀共晶硅,當(dāng)Eu元素的含量為0.10%時(shí),在T6熱處理下,其抗拉強(qiáng)度和伸長(zhǎng)率分別為265.00 MPa和14.70%。PRAMOD S L等人[12]研究認(rèn)為,在AlSi7Mg合金中加入Sc元素后,Sc與Al可形成細(xì)小均勻分布的Al3Sc顆粒,提升合金的抗拉強(qiáng)度與硬度。黃吉等人[13]研究發(fā)現(xiàn),當(dāng)Sc元素的添加量為0.20%時(shí),可細(xì)化共晶硅,其鑄態(tài)下抗拉強(qiáng)度為210.58 MPa,伸長(zhǎng)率為6.50%,布氏硬度為67.5 HB。

WATTANACHAI P等人[14]研究了Sc元素對(duì)AlSi6Mg0.25的變質(zhì)行為,發(fā)現(xiàn)Sc元素加入量在 0.25%時(shí),對(duì)共晶硅第二相有一定變質(zhì)作用,其效果與 Sr 元素相似。ZHANG W D[15]進(jìn)一步指出,Sc 對(duì)初生 α-Al 有一定細(xì)化作用,Sc 可以與 Al 形成細(xì)小均勻分布的 Al3Sc 顆粒,提升合金抗拉強(qiáng)度與硬度。PUPARATTANAPONG K等人[16]研究發(fā)現(xiàn),當(dāng)Sc元素的重量為0.20%時(shí),由于晶粒細(xì)化和共晶硅的組織改善,增加了合金的流動(dòng)性,避免了熱裂。李俊頎等人[17]在AlSiMg合金中加入Er元素后發(fā)現(xiàn),粗大針狀共晶Si細(xì)化為短桿狀;當(dāng)Er元素含量為0.30%時(shí),在鑄態(tài)條件下,其抗拉強(qiáng)度和伸長(zhǎng)率分別為182.47 MPa和11.86%;經(jīng)過T6熱處理后,其抗拉強(qiáng)度達(dá)到最大值298.00 MPa。

李曉燕等人[18]研究發(fā)現(xiàn),當(dāng)Er元素含量為0.40%時(shí),細(xì)化效果最顯著,抗拉強(qiáng)度和伸長(zhǎng)率均達(dá)到最大值。PANDEE P等人[19]研究認(rèn)為,AlSiMg合金中加入Er元素后,在形核過程中,Er與P更容易形成ErP而阻止其形成AlP,同時(shí),優(yōu)化了共晶硅和鋁基體等組織結(jié)構(gòu),改善了其力學(xué)性能。當(dāng)Er元素重量占0.20%時(shí),性能最佳,經(jīng)T6熱處理后,其抗拉強(qiáng)度和伸長(zhǎng)率分別為280.00 MPa和3.30%。QIU H X等人[20]研究了Sm元素對(duì)AlSi7Mg0.7合金的影響,當(dāng)Sm元素的含量為0.60%時(shí),其抗拉強(qiáng)度和伸長(zhǎng)率分別為215.00 MPa和3.30%。

TANG Q等人[21]通過在AlSi7Mg0.3合金中加入Nd元素發(fā)現(xiàn),當(dāng)加入少量的Nd(0.03%)元素后,pi-AlSiMgFe相的數(shù)量增多;通過T6熱處理后,其抗拉強(qiáng)度和伸長(zhǎng)率分別為302.00 MPa和3.10%。TSAI Y C等人[22]研究發(fā)現(xiàn),添加1.00%的La元素到AlSi7Mg合金中,對(duì)其微觀組織和機(jī)械性能的影響規(guī)律與0.01%Sr元素的變質(zhì)效果相似。

3 復(fù)合添加對(duì)AlSi7Mg合金性能影響的研究進(jìn)展

研究者對(duì)通過采用單一元素進(jìn)行變質(zhì)處理進(jìn)行研究外,也對(duì)多種稀土元素、稀土元素和其他金屬元素復(fù)合添加進(jìn)行了相關(guān)研究。研究結(jié)果如表3所示。

表3 復(fù)合添加對(duì)AlSi7Mg合金力學(xué)性能的影響

3.1 復(fù)合添加多種稀土元素

李豹[23]在AlSi7Mg合金中復(fù)合加入Y元素和Yb元素,研究結(jié)果表明,稀土元素(Y和Yb)變質(zhì)合金效果與冷卻速度有關(guān),冷卻速度較慢時(shí)只能細(xì)化硅相,當(dāng)冷卻速度接近臨界速度時(shí),可將共晶硅變質(zhì)為纖維狀。何兵等人[24]通過添加復(fù)合微量元素Sc元素和Y元素后,發(fā)現(xiàn)A356合金組織中形成了Al3Sc和Al3Y強(qiáng)化相,α-Al基體得到明顯細(xì)化,大部分共晶Si形態(tài)由片狀向顆粒狀轉(zhuǎn)變,合金的抗拉強(qiáng)度和延展性得到明顯提高。當(dāng)添加0.2%的Sc元素和0.2%的Y元素時(shí),合金抗拉強(qiáng)度和伸長(zhǎng)率分別達(dá)到254.00 MPa和5.30%,布氏硬度達(dá)到106 HBW。

ZHANG S C等人[25]通過加入Yb和La元素復(fù)合變質(zhì)劑對(duì)鋁硅鎂合金的影響進(jìn)行了研究,結(jié)果表明,晶粒進(jìn)一步被細(xì)化,共晶硅從針狀結(jié)構(gòu)到細(xì)小的球狀結(jié)構(gòu),共晶溫度也有所降低;經(jīng)過T6熱處理后,其抗拉強(qiáng)度和布氏硬度分別為279.00 MPa和99.2 HBW。

3.2 復(fù)合添加稀土和其他金屬元素

何斌峰等人[26]發(fā)現(xiàn),在AlSi7Mg合金中加入0.05%的Sr元素和0.45%的Ce元素時(shí),變質(zhì)效果最佳,該條件下獲得的基體晶粒比加入同等量的0.50%的Ce元素時(shí)的晶粒更加細(xì)小,說明加入少量的Sr元素可顯著提高合金的變質(zhì)效果。LIU W Y等人[27]的研究結(jié)果表明,單獨(dú)添加Gd元素或Zr元素會(huì)很大程度上細(xì)化晶粒,但對(duì)共晶硅的微結(jié)構(gòu)幾乎沒有影響;當(dāng)同時(shí)添加Gd元素和Zr元素時(shí),可顯著細(xì)化共晶硅和改變其形態(tài)狀纖維。結(jié)合添加Gd元素和Zr元素,能減少孿晶和共晶硅的尺寸。在添加0.40%的Gd元素和0.50%的Zr元素的條件下,其力學(xué)性能最好。湖南大學(xué)孫莉[28]在AlSi7Mg0.35合金中添加3.60%的Cu元素和0.15%的Ce元素發(fā)現(xiàn)其在T6條件下合金抗拉強(qiáng)度提高50%以上,且抗拉強(qiáng)度隨Cu元素含量增加而提高,最高達(dá)到395.70 MPa,伸長(zhǎng)率達(dá)到5.50%。天津大學(xué)沈小岑[29]系統(tǒng)地研究了單獨(dú)或復(fù)合添加Sc元素,Ti元素,Zr元素對(duì)A356/7合金的影響,結(jié)果表明,相對(duì)于只加入單一Sc元素,復(fù)合添加 Zr和Ti或Ti和Zr元素具有明顯的晶粒細(xì)化效果。當(dāng)加入0.19%的Sc元素和0.22%的Zr元素時(shí),在T6熱處理?xiàng)l件下,抗拉強(qiáng)度和伸長(zhǎng)率分別為298.00 MPa和8.40%;當(dāng)Sc元素和Ti元素的質(zhì)量分別占0.30%和0.35%時(shí),形成了Al3Ti和Al3(Sc,Ti)二次相,晶粒細(xì)化效果最佳,在T6條件下其抗拉強(qiáng)度和伸長(zhǎng)率分別287.00 MPa和3.62%;當(dāng)Sc,Zr,Ti元素的質(zhì)量分別占0.29%,0.19%,0.09%時(shí),形成了Al3(Sc,Zr,Ti)相,在T6條件下其抗拉強(qiáng)度和伸長(zhǎng)率分別299.00 MPa和22.00%。

3.3 復(fù)合添加多種其他金屬元素

王爽[30]研究了添加Cu和Cr元素對(duì)A356鑄鋁合金力學(xué)性能的影響。結(jié)果發(fā)現(xiàn),加入0.50%的Cu元素和0.35%的Cr元素時(shí),該合金的抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度、伸長(zhǎng)率、硬度和蠕變性能比A356合金分別提高了11.68%,13.14%,5.76%,17.28%,23.05%。

4 結(jié) 論

通過對(duì)微量金屬元素加入鑄造AlSi7Mg合金的研究現(xiàn)狀的綜述可以發(fā)現(xiàn),微量金屬的添加可以細(xì)化鋁基體和共晶硅組織,改善其力學(xué)性能。具體如下。

(1) 通過對(duì)比Sr,Sb,Cu,Zr元素加入AlSi7Mg合金的力學(xué)性能指標(biāo)發(fā)現(xiàn),Cu元素對(duì)其抗拉強(qiáng)度的提高最大;其次是Sr元素,Sb元素對(duì)其抗拉強(qiáng)度和伸長(zhǎng)率比Sr元素的變質(zhì)合金稍差,但其疲勞性能明顯優(yōu)于Sr元素的變質(zhì)合金;Zr元素的變質(zhì)效果最差。

(2) 加入稀土元素都能明顯提高AlSi7Mg合金的抗拉強(qiáng)度和伸長(zhǎng)率,其中,稀土Y元素的變質(zhì)效果最佳。

(3) 復(fù)合添加稀土元素到AlSi7Mg合金后,與單一添加稀土元素相比,沒有特別明顯的改變其組織和力學(xué)性能。復(fù)合添加主族金屬與稀土元素,比單一添加主族金屬元素的合金力學(xué)性能更好。

可見,提高AlSi7Mg合金的力學(xué)性能,主要是通過細(xì)化基體和共晶組織或增加強(qiáng)化相。元素添加不僅可以細(xì)化組織,而且也可以形成新的強(qiáng)化相。為了能夠滿足高端制造業(yè)的需求,需要研發(fā)變質(zhì)效果好、低吸氣性、對(duì)環(huán)境污染小的元素。整體來(lái)說,稀土元素的變質(zhì)效果穩(wěn)定,對(duì)環(huán)境影響小,是今后研究的重點(diǎn)。