半固態(tài)擠壓鑄造下稀土Y 強化機械零件用ZL105 鋁合金的制備與性能

郭紅麗， 李 勇

（1. 山西工程科技職業(yè)大學 智能制造學院， 太原 030619； 2. 浙江凱盈新材料有限公司， 浙江 海寧 314400）

鋁合金因密度低、強度大、易機械加工等特點被廣泛應用于汽車工業(yè)、機械制造、航空航天等領域[1-4］.但鋁合金在鑄造過程中容易產生氣孔、氧化夾雜、裂紋等缺陷[5-6］，微觀組織比較粗大，這些均不利于提升鋁合金的硬度等力學性能.Al-Si 系鋁合金的長針狀粗大相極大地影響了其性能，因此國內大批學者將鋁合金的組織細化作為研究內容[7-8］，利用各種變質劑對鋁合金微觀組織進行改善.目前，常用的鋁合金變質劑有Sr，P，Ti，B 等.王軍等[9］用含C 細化劑和含Sr 變質劑對A356 鋁合金進行細化變質處理，在鋁合金中加入Al-5Ti-0.5C，Al-10Sr 和Al-5Ti-0.5C-8Sr 三種中間合金，發(fā)現(xiàn)鋁合金的晶粒尺寸和共晶硅均得到細化，形貌改善明顯，其中Al-5Ti-0.5C-8Sr 對鋁合金有著細化和變質雙重作用.稀土及其氧化物化學活性強，幾乎能與所有元素作用，是一種很好的變質劑，對鋁合金微觀組織改善具有顯著的作用.Wang等[10］研究了稀土La，Ce 對Al-0.75Mg-0.6Si合金微觀組織和性能的影響，結果顯示，稀土的加入能有效細化合金的晶粒，提升合金的導電性和強度.當稀土添加量（質量分數）為0.5%時，鋁合金比基體的導電率、抗拉強度和伸長率分別提高了5.7%，11.3%和15.2%.目前對稀土Y 改善鋁合金微觀組織和性能的研究并不多，Song 等[11］研究了不同冷卻速度對Y 增強A356 鋁合金微觀組織和拉伸性能的影響，但有關Y 含量對鋁合金微觀組織和性能的影響的研究較少.

半固態(tài)擠壓鑄造技術是指金屬在半固態(tài)溫度區(qū)間，通過施加外加作用使其微觀組織呈現(xiàn)為球形組織的新型金屬成形方法.該技術應用范圍廣，節(jié)約能源，生產成本低，可延長模具壽命；成形鑄件質量好，尺寸精度高[12-13］.Sun 等[14］通過半固態(tài)擠壓鑄造技術制備了TiAl3／A356 復合材料，研究了超聲溫度、功率、時間對其微觀組織的影響，發(fā)現(xiàn)了半固態(tài)擠壓鑄造技術制備的復合材料初生α-Al 晶粒呈球形，微觀組織得到明顯改善.本文中以ZL105 和Al-Y 中間合金為原材料，利用半固態(tài)擠壓鑄造技術制備稀土Y 強化后的機械零件用ZL105 鋁合金，研究不同稀土添加量對ZL105鋁合金微觀組織和力學性能的影響，為細化組織及提升性能提供實驗依據.

1 實驗方法

1.1 Al-Y 中間合金的制備

實驗采用Y 粉末和純鋁來制備Al-Y 二元中間合金.先將Y 粉末放進烘干箱中烘干，去除粉末中的水分，然后將裝有純鋁的石墨坩堝放入電阻爐中加熱至725 ℃，使鋁塊完全熔化至液態(tài)，邊攪拌邊除氣、扒渣.隨后，將Y 粉末用鋁箔紙包裹完全后分批加入鋁液中，邊加入邊進行間歇性電磁攪拌，其中電磁攪拌的電流為45 A，頻率為35 Hz，每次攪拌的時間為1 min.攪拌結束后升溫至650 ℃，然后再進行電磁攪拌.重復進行5 次攪拌后，對熔體進行除氣、扒渣處理，將其澆注在預熱好的模具內自然冷卻，可制備出Al-Y 二元中間合金.將Al-Y 二元中間合金剪切成15 mm 長的短棒.

1.2 x%Y-ZL105 稀土鋁合金的制備

選用ZL105 鋁合金（化學成分如表1 所列）和Al-Y 二元中間合金為原材料制備x%Y-ZL105稀土鋁合金（x ＝0，0.2，0.4，0.6，x%為質量分數，下同），ZL105 的固相線溫度約為546 ℃，液相線溫度約為621 ℃，密度為2.72 g／m3.將ZL105 鋁合金和短棒狀Al-Y 二元中間合金表面打磨光滑、去除氧化皮后，在200 ℃下加熱去除水汽.之后，將ZL105 鋁合金放入電阻爐中熔煉，加熱至720 ℃呈熔融態(tài)；在施加機械攪拌的同時加入短棒狀Al-Y 二元中間合金，攪拌時間為15 min，靜置5 min 后再進行除氣、扒渣，并將其轉運到保溫爐（605 ℃）中保溫30 min，等待其完全反應.然后在SCH-350A 型間接擠壓鑄造機上將熔體澆注到模具內自然冷卻，制成如圖1 所示的拉伸試樣.模具預熱至250 ℃以避免試樣內產生缺陷，澆注溫度為605 ℃，壓強為150 MPa，保壓時間為15 s，壓射速度為0.2 m／s.

表1 ZL105 鋁合金化學成分（質量分數）Table 1 Chemical compositions of ZL105 aluminum alloy （mass fraction） %

圖1 拉伸試樣示意圖（mm）Fig.1 Schematic diagram of tensile specimen （mm）

1.3 表征與性能測試

取部分試樣進行鑲嵌、打磨、拋光制成金相試樣，利用光學顯微鏡、掃描電鏡和能譜分析儀對試樣的微觀組織和相進行觀察、分析.用顯微硬度計測試試樣硬度，施加壓力為1.96 N，施壓時間為15 s，每個試樣取5 個測試點，取硬度平均值為該試樣的硬度.機械打磨去除試樣表面的毛刺，在室溫下用WDW-200 萬能試驗機進行拉伸測試，測試試樣的抗拉強度和伸長率， 拉伸速率為1.5 mm／min，拉伸力為2.5 kN，同一類試樣取3次試驗結果的平均值為最終的抗拉強度和伸長率，并用掃描電鏡觀察、分析其拉伸斷口形貌.

2 結果與分析

2.1 Y 添加量對x%Y-ZL105 稀土鋁合金微觀組織的影響

圖2 展示了Y 添加量（質量分數，下同）分別為0，0.2%，0.4%和0.6%時x%Y-ZL105 鋁合金的微觀組織.從圖2（a）中可以看出：未添加Y 時，半固態(tài)擠壓鑄造鋁合金的微觀組織比較粗大，分布不均勻；α-Al 晶粒尺寸較大，約為54 μm；Al-Fe-Mn-Si相呈現(xiàn)為粗大的長針狀，長度約為72 μm.從圖2（b）中可以看出：當Y 添加量為0.2%時，0.2%Y-ZL105 鋁合金的微觀組織得到細化；α-Al 晶粒尺寸變小，約為42 μm，呈現(xiàn)為薔薇狀；長針狀的Al-Fe-Mn-Si 相變短，長度約為31 μm.圖2（c）中顯示：當Y 添加量為0.4%時，0.4%Y-ZL105 鋁合金的微觀組織細化程度更高，組織分布更均勻；α-Al 晶粒尺寸最小，達到26 μm，呈現(xiàn)為橢球狀；Al-Fe-Mn-Si 相變成短棒狀，長度約為22 μm.此時鋁合金的微觀組織得到很明顯的改善，Y 的變質效果最佳.但當添加0.6%的Y 時，0.6%Y-ZL105 鋁合金微觀組織如圖2（d）所示：α-Al晶粒尺寸變大，約為35 μm，呈現(xiàn)為雜亂的薔薇狀；Al-Fe-Mn-Si 相又變成短棒狀，長度約為25 μm.此時的鋁合金微觀組織又變得粗大.綜上，適量的Y 對x%Y-ZL105 鋁合金中的α-Al 晶粒和Al-Fe-Mn-Si 相有較強的變質效果，對x%YZL105 鋁合金的微觀組織能起到細化作用.

圖2 x%Y-ZL105 鋁合金的微觀組織Fig.2 Microstructures of x%Y-ZL105 aluminum alloy

圖3 是0.4%Y-ZL105 鋁合金的形貌圖.結合圖3（a）中點1 處的EDS 能譜分析[見圖3（b）］，0.4%Y-ZL105 鋁合金中稀土相主要包括Al，Si，Y三種元素，根據元素比例關系可推出該稀土相為Al2Si2Y[15］.稀土相的熔點和硬度更高，常常作為強化相來提高鋁合金的機械性能，適量添加可提高合金形核率，在有限的空間內使得晶粒間相互抑制生長；同時，富集在固液界面處的Y 阻礙了溶質原子在半固態(tài)區(qū)間內從液相向固相生長，最終使得合金微觀組織更細小.而過量的Y 會破壞固液界面的穩(wěn)定，從而導致各相的不穩(wěn)定，進而形成粗大相.

圖3 0.4%Y-ZL105 鋁合金的形貌圖Fig.3 Morphology image of 0.4%Y-ZL105

2.2 Y 添加量對x%Y-ZL105 稀土鋁合金力學性能的影響

圖4 展示了不同Y 添加量對x%Y-ZL105 稀土鋁合金硬度的影響.由圖4 可知，ZL105 鋁合金的硬度（HV）僅為80.5.當Y 添加量為0.2%時，0.2%Y-ZL105 鋁合金的硬度得到明顯提高，達到92.9.當Y 添加量為0.4%時，0.4%Y-ZL105 鋁合金的硬度進一步提升，達到最大值108.2，比ZL105 鋁合金的硬度提高了34.4%.但當添加的稀土過量（達到0.6%）時，0.6%Y-ZL105 鋁合金的硬度不升反降，降至90.8.x%Y-ZL105 鋁合金硬度出現(xiàn)這種變化的原因是微觀組織越均勻細小，硬度就越高，隨著Y 添加量的增加，x%YZL105 鋁合金的微觀組織先得到細化，再變得粗大.組織的細化有利于鋁合金硬度的提升，但過量添加Y 會使鋁合金中α-Al 晶粒尺寸變大，Al-Fe-Mn-Si相又變成長針狀，不利于硬度的提升.

圖4 不同Y 添加量對x%Y-ZL105 鋁合金硬度的影響Fig.4 Effects of different Y addition on hardness x%Y-ZL105 aluminum alloy

圖5 展示了不同Y 添加量對x%Y-ZL105 稀土鋁合金拉伸性能的影響.從圖5 中可以看出，ZL105 鋁合金的抗拉強度和伸長率分別為212.8 MPa 和4.4%. 隨著Y 添加量的增加，x%Y-ZL105鋁合金的抗拉強度和伸長率均先增大后減小，當Y 添加量達到0.4%時，0.4%YZL105 鋁合金的抗拉強度和伸長率達到最大值278.6 MPa和5.8%，比ZL105 鋁合金的抗拉強度和伸長率分別增加了30.9%和31.8%.這證明添加適量的Y 能改善鋁合金的拉伸性能，在提升鋁合金抗拉強度的同時還改善了其伸長率.

圖5 不同Y 添加量對x%Y-ZL105 鋁合金拉伸性能的影響Fig.5 Effects of different Y addition on tensile properties of x%Y-ZL105 aluminum alloy

圖6 是不同Y 添加量下稀土鋁合金的拉伸斷口形貌圖.從圖6（a）中可以看出，ZL105 鋁合金的拉伸斷口包括較淺且少的韌窩和平坦的解理面，發(fā)生明顯的脆性斷裂，此時鋁合金的塑性不好.當Y 添加量增加時，x%Y-ZL105 鋁合金拉伸斷口的韌窩變深且數量變多，平坦的解離面減少；圖6（c）中的0.4%Y-ZL105 鋁合金拉伸斷口的韌窩深且多，塑性得到大幅度提升，拉伸性能達到最佳.當加入過量的Y（添加量為0.6%）時，韌窩變淺且數量減少，解理面變多，此時0.6%Y-ZL105鋁合金的拉伸性能變差.這進一步說明適量的Y可以提升鋁合金的拉伸性能，而添加過量的Y時，鋁合金中形成的長針狀粗大相不利于其拉伸性能的提升.

圖6 x%Y-ZL105 鋁合金的拉伸斷口形貌圖Fig.6 Tensile fracture morphology of x%Y-ZL105 aluminum alloy

3 生產驗證

在得到最佳的Y 添加量0.4%之后，利用半固態(tài)擠壓鑄造技術在擠壓鑄造機上澆注0.4%Y-ZL105鋁合金制備如圖7（a）所示的機械零件端蓋件，對機械零件進行試生產，最后得到的機械零件實物如圖7（b）所示.機械零件表面無明顯缺陷，符合生產制造要求.

圖7 機械零件端蓋外觀圖Fig.7 Appearance of mechanical part end cap

4 結 論

（1）Y 可以有效細化x%Y-ZL105 鋁合金的微觀組織.隨著Y 添加量的增加，x%Y-ZL105 鋁合金的微觀組織先得到細化，再變得粗大.當Y 添加量為0.4%時，微觀組織細化程度最高，α-Al 晶粒尺寸減小到26 μm，長針狀Al-Fe-Mn-Si 相轉變?yōu)槎贪魻睿叽鐪p小到22 μm.

（2）隨著Y 添加量的增加，x%Y-ZL105 鋁合金硬度、抗拉強度和伸長率均先增大后減小.當Y添加量為0.4%時，x%Y-ZL105 鋁合金的硬度、抗拉強度和伸長率均達到最大值108.2，278.6 MPa和5.8%，較ZL105 鋁合金的硬度、抗拉強度和伸長率分別提高了34.4%，30.9%和31.8%，此時0.4%Y-ZL105 鋁合金的拉伸斷口韌窩變深且數量變多，平坦的解理面減少.

（3）利用半固態(tài)擠壓鑄造技術在擠壓鑄造機上澆注0.4%Y-ZL105 鋁合金試生產機械零件端蓋件，零件表面無明顯缺陷，符合生產制造要求.