鑄造A356.2（Sc，La）鋁合金研究

閆 洪 張 輝 楊祖貴

（昆明冶金研究院有限公司，中鋁集團(tuán)中央研究院昆明分院，昆明 650031）

0 引言

在鋁合金中加入稀土元素，不僅具有變質(zhì)處理的作用，而且還能提高力學(xué)性能［1-2］。為了改善鋁合金的使用性能，擴(kuò)大其應(yīng)用范圍，通過稀土合金化技術(shù)對(duì)鋁合金進(jìn)行處理，取得了較好的效果。由于單獨(dú)添加稀土La 對(duì)鋁合金的力學(xué)性能提高不大，而且Sc 的成本較高，因此，通過兩種稀土元素Sc 和La 的添加，不僅減少了Sc 的加入量，降低成本，而且顯著細(xì)化了共晶硅，使合金的力學(xué)性能得到較大提高。目前國(guó)內(nèi)對(duì)稀土鋁合金的研究主要集中在添加單一稀土方面［3～8］，而對(duì)添加兩種稀土元素的鑄造A356.2（Sc、La）鋁合金未見相關(guān)報(bào)道。本文通過加入兩種稀土元素Sc 和La，形成了鑄造A356.2（Sc、La）鋁合金，并對(duì)其組織和力學(xué)性能進(jìn)行分析，為優(yōu)化工藝提供理論和試驗(yàn)依據(jù)。

1 實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)用材料為A356.2鋁合金，稀土元素Sc和La分別以Al-2.01%Sc 及Al-9.62%La 中間合金的形式加入。將A356.2 鋁合金放入石墨坩堝電阻爐中，溫度升到740℃，待A356.2 鋁合金完全熔化后，扒渣，放入Si 并攪拌熔體，然后升溫到790℃，加入Al-9.62%La 中間合金，攪拌熔體1 min，保溫15 min，降溫到740℃，加入Al-1.98%Sc 中間合金進(jìn)行熔化，攪拌熔體，使合金成分均勻，降溫到725℃，通入高純氮?dú)膺M(jìn)行精煉，扒渣，靜置后，澆入已經(jīng)預(yù)熱到310℃的鑄鐵模具中，取出試樣，水淬，制備成A356.2（Sc、La）鋁合金，其化學(xué)成分見表1。試驗(yàn)中，稀土Sc含量0.38wt%，稀土La含量0.14wt%，并進(jìn)行了對(duì)比試驗(yàn)。金相組織分析在AxioimagerA2m型研究級(jí)智能數(shù)字材料顯微鏡上進(jìn)行，合金的抗拉強(qiáng)度和伸長(zhǎng)率用CMT5105型電子萬能試驗(yàn)機(jī)測(cè)定，采用Quanta 600 型掃描電鏡和Genesis 型能譜儀進(jìn)行顯微觀察和能譜分析，用EMPYREAN型X射線衍射儀對(duì)合金物相進(jìn)行分析。

表1 鑄造A356.2（Sc、La）鋁合金的化學(xué)成分Tab.1 Chemical composition of cast A356.2（Sc，La）aluminum alloy wt%

2 結(jié)果及分析

2.1 鑄造A356.2（Sc、La）鋁合金的相組成

由鋁合金XRD 分析測(cè)試結(jié)果（圖1）可知，，Al3Sc相衍射峰很微弱，析出的Al3Sc 相比較細(xì)小，說明稀土La的添加阻止了Al3Sc相的形成和析出。

圖1 鑄造A356.2（Sc、La）鋁合金的XRD圖譜Fig.1 XRD pattern of A356.2（Sc，La）aluminum alloy

2.2 稀土Sc和La對(duì)合金鑄態(tài)顯微組織的影響

由圖2（a）可見，在未添加稀土元素時(shí)，鑄造A356.2 鋁合金中大部分共晶硅的形狀是針片狀，少數(shù)為塊狀，共晶硅的平均尺寸為13.6 μm，較為粗大。在合金中添加單一稀土0.14%La 后，鑄造A356.2（La）鋁合金的共晶硅形貌得到改善，大部分共晶硅是塊狀，少數(shù)為條狀，共晶硅得到細(xì)化，平均尺寸減小到6.3 μm［圖2（b）］。圖2（c）所示為添加兩種稀土元素0.38%Sc+0.14%La 的鑄造A356.2（Sc、La）鋁合金的顯微組織，此時(shí)共晶硅完全轉(zhuǎn)變?yōu)榫鶆蚣?xì)小的顆粒狀組織，平均尺寸僅為2.3 μm。這說明，在合金中單獨(dú)添加稀土元素La 有一定的共晶硅晶粒細(xì)化效果，但細(xì)化作用有限，而添加兩種稀土元素Sc和La對(duì)共晶硅的細(xì)化作用更強(qiáng)烈。

圖2 鑄造鋁合金的顯微組織1 000×Fig.2 Microstructure of cast aluminum alloy

2.3 稀土元素Sc、La 與合金力學(xué)性能及共晶硅的關(guān)系

稀土元素Sc 和La 對(duì)鑄造A356.2 鋁合金力學(xué)性能及共晶硅的影響見表2，可知，未添加稀土元素的鑄造A356.2 鋁合金的共晶硅平均尺寸13.6 μm，力學(xué)性能較差；添加0.14%La 后，形成的鑄造A356.2（La）合金的共晶硅平均尺寸降到6.3 μm，其抗拉強(qiáng)度和伸長(zhǎng)率有所提高；而鑄造A356.2（Sc、La）合金的共晶硅細(xì)化到2.3 μm，抗拉強(qiáng)度和伸長(zhǎng)率分別提高到181.62 MPa 和4.0%，較添加鑄造A356.2（La）合金，細(xì)化效果更好，力學(xué)性能更高，所以稀土元素Sc和La 對(duì)鑄造鋁合金的強(qiáng)化屬于對(duì)共晶硅的細(xì)晶強(qiáng)化。Sc 和La 對(duì)共晶硅的細(xì)化作用機(jī)制是：（1）Al 與Sc 的結(jié)合形成了Al3Sc 相，Al3Sc 相和基體α-Al 相的晶格類型和參數(shù)相近，可作為異質(zhì)形核核心細(xì)化α-Al相的晶粒，Al3Sc相在合金凝固時(shí)的異質(zhì)晶核作用，增加了合金熔體中的形核數(shù)，從而細(xì)化α-Al 相晶粒尺寸［9］，Sc 對(duì)α-Al 相的細(xì)化伴隨著對(duì)共晶硅相的細(xì)化，α-Al 相細(xì)化和數(shù)量的增多造成各個(gè)方向阻力的增大，致使共晶硅難于長(zhǎng)大，從而使共晶硅成為細(xì)小的顆粒狀；（2）稀土La 相與Si 有較強(qiáng)的親和力，它吸附在Si相生長(zhǎng)界面的前沿，阻止Si相的成長(zhǎng)。

表2 鋁合金的共晶硅尺寸和力學(xué)性能Tab.2 Eutectic silicon dimensions and mechanical properties of aluminum alloys

2.4 合金中稀土元素Sc和La的分布

由圖3中鑄造A356.2（Sc、La）鋁合金的SEM 微觀組織可見，合金中分布著一些亮白色的第二相，為不規(guī)則的形狀，通過圖3（b）能譜分析可知，該亮白色第二相的化學(xué)成分為：68.88Al-24.52Si-0.32Sc-4.201La-2.08Mg，說明第二相與稀土Sc和La有關(guān)。

圖3 鑄造A356.2（Sc、La）鋁合金的SEM圖像和能譜分析Fig.3 SEM microstructure and energy spectrum analysis results of cast A356.2（Sc，La）

為了解稀土Sc 和La 在鋁合金中的分布，對(duì)鑄造A356.2（Sc、La）鋁合金的凝固組織進(jìn)行了Sc 和La 元素的面掃描分析，結(jié)果見圖4，可以看出，合金顯微組織中出現(xiàn)了不同形狀的Sc 相和La 相，分散分布，較為細(xì)小，其中，Sc 相、La 相的平均尺寸為3.5、4.5 μm。稀土元素Sc 的形狀差異較大，除部分固溶于α-Al相以外，還有一部分以第二相粒子Al3Sc相的形式存在，分散分布于基體中，在鋁合金中起到彌散強(qiáng)化的作用［10］?？傊?，稀土Sc 和La 對(duì)鋁合金的強(qiáng)化是彌散強(qiáng)化和細(xì)晶強(qiáng)化共同作用的結(jié)果。

圖4 鑄造A356.2（Sc、La）鋁合金中稀土元素的面分布圖像Fig.4 Areal distribution of rare earth elements in A356.2（Sc，La）aluminum alloy

3 結(jié)論

（1）添加兩種稀土元素Sc 和La 的鑄造A356.2（Sc、La）鋁合金較單獨(dú)添加一種稀土元素La 的A356.2（La）鋁合金有更好的共晶硅細(xì)化效果，能使共晶硅由原來平均尺寸為1 3.6 μm的粗大針片狀向平均尺寸只有2.3 μm的細(xì)小顆粒狀轉(zhuǎn)變，共晶硅形貌得到明顯改善。而單獨(dú)添加一種稀土元素La只能將共晶硅細(xì)化到6.3 μm。

（2）含有兩種稀土元素Sc 和La 的A356.2（Sc，La）鋁合金的抗拉強(qiáng)度和伸長(zhǎng)率明顯高于含有一種稀土元素La 的A356.2（La）鋁合金，鋁合金的抗拉強(qiáng)度由136.22 MPa 提高到181.62 MPa，伸長(zhǎng)率由1.8%增加到4.0%，從而大大提升了鋁合金的力學(xué)性能。而含有一種稀土元素La 的A356.2（La）鋁合金的抗拉強(qiáng)度和伸長(zhǎng)率分別為148.84 MPa和2.3%，增加幅度較小。

（3）稀土Sc 和La 在鑄造A356.2（Sc、La）鋁合金中形成了Al3Sc 相、AlSc 相、Sc 相、La 相等，分散分布于基體中，起到了彌散強(qiáng)化的作用，同時(shí)這些相阻止了共晶硅的長(zhǎng)大，使共晶硅細(xì)化，形成細(xì)晶強(qiáng)化，在彌散強(qiáng)化和細(xì)晶強(qiáng)化的雙重作用下，合金的力學(xué)性能顯著提高。