Ti系細化劑及T6熱處理對Al-Si-Mg合金組織與力學性能的影響

李應新，陸雨晨，梁霄鵬，鄒思敏，李慧中

（1.株洲瑞德爾智能裝備有限公司，湖南 株洲 412000；2.中南大學材料科學與工程學院，湖南 長沙 410083）

Al-Si鑄造合金由于具有良好的鑄造性能和力學性能，且成本低廉和工藝簡單，被廣泛用于通訊基站的散熱殼體、大功率LED燈、汽車零部件和電子封裝材料等領域［1，2］。亞共晶Al-Si鑄造合金內部的α-Al枝晶、共晶硅的形態(tài)、晶粒尺寸和二次枝晶間距（SDAS）等組織形貌都對合金的力學性能有著至關重要的影響［3］。近年來，人們通過改進鑄造工藝，使用細化劑，添加變質劑和加入其它合金元素等方式優(yōu)化Al-Si鑄造合金的組織，以提升合金的綜合性能。

向Al-Si鑄造合金中加入Mg和Cu，熱處理后產生細小的β-Mg2Si、θ-Al2Cu和Q-Al5Cu2Mg8Si6等相提高合金的力學性能［4］。鑄錠中常見的有害元素Fe，被認為通過形成富鐵的脆性相，尤其是針狀β-Al5FeSi，增加合金凝固時的孔隙等缺陷，降低合金的力學性能［5］。Al-Si鑄造合金一般會添加Sr、Na和稀土元素La、Sc與Eu等作為變質劑，使粗大的針片狀共晶硅轉變?yōu)槎汤w維狀，減少硅粒子的尖端應力集中，增加合金的力學性能［6］。Jung B I等人［7］研究表明，添加超過50μg/g Sr對共晶Si有較好的改性效果，但α-Al相的平均尺寸隨著Sr添加量的增加而增大。Hengcheng Liao和Guoxiong Sun［8］發(fā)現在Al-Si合金中，超出一定限度的Sr和B相互發(fā)生反應，降低兩者的作用。除此之外，Sr還會增加合金的氣孔數量和孔隙度，從而降低了合金的力學性能［9］。

相比于粗大的柱狀α-Al枝晶，細小等軸的α-Al枝晶使合金具有均勻和優(yōu)良的力學性能，便于進一步的加工［10，11］。在熔煉時加入晶粒細化劑，特別是Al-Ti-B和Al-Ti-C三元中間合金，對鋁合金的晶粒進行細化，已經成為一種在工業(yè)生產中很常見的現象。在熔體中添加細化劑，可以改善鑄造過程熔體的流動性，有助于改善充型和補縮，減少鑄造產品的缺陷，對合金的力學性能有著顯著的提升。相比于Al-Ti-B細化劑中的TiB2細化相，Al-Ti-C細化劑中的細化相TiC顆粒更小，不易發(fā)生團聚和與其它元素發(fā)生中毒［12］。

在Al-Si合金中同時添加細化劑和變質劑的聯合效果逐漸引起研究人員的關注，研究人員希望通過這種方式對α-Al枝晶和共晶硅進行細化與改性。目前大多數的研究集中在細化劑和變質劑對合金組織的影響機理，而熱處理和不同種類的細化變質劑對合金組織影響的研究相對較少。本文研究了含Ti細化劑Al-Ti、Al-Ti-B、Al-Ti-C對含Sr的Al-8Si-0.6Mg-0.1Cu合金組織和力學性能的影響。

1 試驗材料和方法

1.1 材料制備

Al-8Si-0.6Mg-0.1Cu合金以工業(yè)純鋁（＞99.7%）、工業(yè)純鎂（＞99.9%）、Al-20%Si中間合金、Al-50%Cu中間合金、商業(yè)晶粒細化劑Al-10Ti、Al-5Ti-1B和Al-5Ti-0.2C及變質劑Al-10Sr為原料制備。四組種合金的名義成分見表1，其中合金1未添加鈦系細化劑，合金2加入了Al-Ti細化劑，合金3加入了Al-Ti-B細化劑，合金4加入了Al-Ti-C細化劑，三種加入細化劑的合金加入細化劑的含量均為0.2%。熔煉試驗在坩堝電阻爐中完成，具體過程為：首先在爐中放入配置好的工業(yè)純鋁及Al-20%Si中間合金，并加入覆蓋劑；將坩堝電阻爐升溫至800℃并保溫，直至原料完全熔化。溫度降至7 5 0℃后加入工業(yè)純鎂、中間合金Al-50%Cu、含鈦細化劑及變質劑Al-10Sr，經除氣除渣后將熔體于700℃澆注到經預熱后的200℃鐵模中，獲得四組合金錠。

表1 四組合金的名義成分 %

1.2 顯微組織表征和性能測試

鑄態(tài)樣品經400#、800#、1 200#和2 000#砂紙打磨后，依次使用W1.5和W0.5金剛石拋光膏拋光后，用Keller試劑腐蝕10～15 s，采用4XC-Ⅱ金相顯微鏡及Sirion 200場發(fā)射掃描電鏡觀察微觀組織結構。為評估晶粒細化效果，采用20%NaOH腐蝕樣品5 min以觀察宏觀晶粒大小，并采用HP Laser Jet M1005 MFP激光掃描儀進行拍攝。通過Image Pro-Plus對金相照片的二次枝晶間距和宏觀晶粒大小進行測量，并對掃描電鏡照片的鑄態(tài)及熱處理后硅顆粒形貌進行統(tǒng)計。對鑄態(tài)下的樣品進行熱處理，以提高金屬的性能。合金的T6熱處理制度為：520℃/4 h（固溶）+180℃/7 h（人工時效），固溶和時效結束后均采用冷水淬火冷卻。各組樣品的室溫力學性能測試在MTS-810材料試驗機上進行，拉伸速率為1 mm/min。采用Sirion 200場發(fā)射掃描電鏡對拉伸斷口進行觀察。

2 試驗結果與討論

2.1 Ti系細化劑對Al-Si-Mg合金組織的影響

四組合金的鑄態(tài)金相組織如圖1所示，由圖1可見，合金主要由初生的白色α-Al枝晶和不同形貌的黑色共晶硅組成。為了解細化劑對α-Al二次枝晶間距的影響，利用Image Pro-Plus對二次枝晶間距進行測量，測量結果如圖2所示。合金1的二次枝晶間距為19.68μm，而合金2、合金3和合金4的二次枝晶間距分別為16.26μm、16.5μm和16.38 μm，較未細化的合金1分別減小了17.3%、16.1%和16.8%。在加入變質劑后進一步加入細化劑，會縮小合金的二次枝晶間距，且三種細化劑對變質后的合金二次枝晶間距減小程度接近。

圖1 四組合金的鑄態(tài)金相組織

圖2 四組合金的二次枝晶間距

四組合金的鑄態(tài)晶粒尺寸及宏觀金相統(tǒng)計圖如圖3所示。合金1的鑄錠表面邊緣存在部分柱狀晶，而中心處則存在不均勻的粗大晶粒，晶粒的平均尺寸約為1 135.2μm。加入細化劑后的合金晶粒由柱狀枝晶轉變?yōu)榧毿〉牡容S晶，晶粒尺寸減小，分別為267.1μm、208.9μm和220.7μm。Ti系細化劑表現出優(yōu)異的細化效果，其中Al-5Ti-1B細化效果最為顯著。

圖3 四組合金的鑄態(tài)宏觀金相及晶粒尺寸統(tǒng)計

表2為4種合金在鑄態(tài)下硅顆粒的形貌特征。從表2可知，合金3相比于其它合金中的針片狀的共晶硅，粒子面積和長度更大，而且縱橫比和圓度也更差。鑄態(tài)下，添加Al-Ti細化劑的合金2對硅顆粒的形狀略有影響。經過Al-Ti-C細化劑和Sr元素的復合添加后的合金4，硅顆粒的形貌特征相比于只添加Sr的合金1均有不同程度的改善。

表2 鑄態(tài)合金中硅顆粒的形貌特征

2.2 T6熱處理對Al-Si-Mg合金組織的影響

熱處理后合金的宏觀金相及晶粒尺寸如圖4所示。對比圖4中鑄態(tài)的晶粒尺寸，熱處理后，四種合金的晶粒發(fā)生顯著長大。四種合金晶粒尺寸分別為1 287.4μm、441μm、329.4μm和351.3μm。

圖4 四組合金的T6態(tài)宏觀金相及晶粒尺寸統(tǒng)計

為了探究熱處理前后共晶硅形貌的變化，使用Image Pro Plus對熱處理后四組合金SEM照片進行分析統(tǒng)計，數據見表3。經過T6熱處理后，四種合金經熱處理后的硅顆粒發(fā)生球化，縱橫比和圓度得到提高。與此同時，共晶硅發(fā)生粗化，單個粒子的面積變大。

表3 T6態(tài)合金中硅顆粒的形貌特征

2.3 Ti系細化劑及T6熱處理對Al-Si-Mg合金力學性能的影響

四種合金的鑄態(tài)力學性能如圖5所示。合金1的抗拉強度為191 MPa，延伸率為7.5%。

圖5 四組合金的鑄態(tài)力學性能

添加Al-Ti和Al-Ti-C細化劑后，合金的抗拉強度分別增加到207 MPa和220 MPa，延伸率分別增加到7.1%和9.3%。但添加Al-Ti-B后，合金抗拉強度和伸長率顯著下降，分別為183 MPa和5.8%。晶粒細化后對合金的強度和塑性均有不同程度的提高，但硼元素導致變質劑Sr被毒化，共晶Si呈現出粗大的板條狀；而共晶硅的形貌對合金的力學性能有較大的影響，粗大且板片狀的Si粒子在拉伸過程中極易在邊角處由于應力集中產生微裂紋，使得材料提前失效斷裂，顯著降低了合金的力學性能。鑄態(tài)下，添加Al-Ti-C細化劑的合金4實現了最高的強度與塑性，力學性能最優(yōu)。

熱處理后四種合金的力學性能如圖6所示。經過T6熱處理后，未加入細化劑的合金1，抗拉強度和屈服強度分別達到250 MPa和225 MPa。添加細化劑的合金2，抗拉強度和屈服強度分別增加到270 MPa和239 MPa。合金3的抗拉強度和屈服強度為269 MP和237 MPa。合金4相比于合金1的力學性能有顯著的提高，抗拉強度和屈服強度分別增加至285 MPa和250 MPa。除此之外，加入細化劑的合金延伸率也從4.7%（合金1）增加至5.0%（合金2）、4.8%（合金3）和5.5%（合金4）。熱處理后，Si粒子形貌得到顯著改善，降低了微裂紋萌發(fā)的可能，使得B與Sr的毒化作用被抵消，因此T6態(tài)的合金3力學性能較鑄態(tài)明顯提升。綜上所述，T6熱處理后，合金4的力學性能與其他合金相比最為優(yōu)良。

圖6 四組合金的T6態(tài)力學性能

T6態(tài)樣品拉伸斷口的二次電子圖像如圖7所示。如圖7（a）所示，合金1的T6態(tài)拉伸斷口分布著解離面和撕裂棱，還能觀察到不同尺寸的韌窩，推測斷裂為韌性斷裂和脆性斷裂的混合斷裂。合金2及合金4的斷口幾乎全由細小的等軸韌窩組成，顯示出合金良好的塑性。合金4中的韌窩更加深而密，導致其抗拉強度與延伸率較高。由于合金3中存在粗大的Si顆粒，合金3的斷口中存在大量撕裂棱及非規(guī)則性韌窩。在四種合金的拉伸斷口中均可以看到枝晶間微小的裂紋，合金中的金屬間化合物常常作為應力集中處，在拉伸過程中產生微小的裂紋。

圖7 四組合金的T6態(tài)拉伸試樣斷口

3 結 論

1.Ti系細化劑可以顯著細化晶粒尺寸，Al-Ti-B細化效果最佳。Al-Ti和Al-Ti-C細化劑對共晶硅的形貌尺寸具有一定的改善作用，而Al-Ti-B細化劑會毒化變質劑Sr，使得Si顆粒粗大且呈板片狀。

2.T6熱處理后，晶粒明顯長大，共晶硅發(fā)生球化及粗化，共晶Si形貌得到顯著改善。

3.鑄態(tài)及T6態(tài)下，添加Al-Ti-C合金均表現出最佳的力學性能，T6態(tài)下的抗拉強度達285 MPa，屈服強度達250 MPa，延伸率達到了5.5%。抗拉強度比未添加細化劑與添加Al-Ti和Al-Ti-B的合金分別提高了14%、5.6%和5.9%。