鑄造AlSi7MgLa鋁合金的金相組織和力學(xué)性能研究*

閆　洪，張　輝，楊祖貴

(1.昆明冶金研究院，云南 昆明 650000；2.云南鋁業(yè)股份有限公司，云南 昆明 650502)

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鑄造AlSi7MgLa鋁合金的金相組織和力學(xué)性能研究*

閆洪1，張輝2，楊祖貴1

(1.昆明冶金研究院，云南 昆明 650000；2.云南鋁業(yè)股份有限公司，云南 昆明 650502)

在鑄造鋁合金中，添加稀土元素鑭可以起到明顯的效果。通過Al-9.38%La稀土鋁中間合金向鋁合金熔體加入稀土元素鑭，制得了鑄造AlSi7MgLa鋁合金。用金相顯微鏡和電子萬能材料試驗(yàn)機(jī)研究了鑄造AlSi7MgLa鋁合金的金相組織和力學(xué)性能，結(jié)果表明，稀土元素鑭能改變共晶硅的形貌，當(dāng)稀土元素鑭的加入量為0.31%時，共晶硅形成細(xì)小的顆粒狀，合金的強(qiáng)度較高，為116 MPa。當(dāng)稀土元素鑭加入量為0.87%時，有比共晶硅粗大的稀土元素鑭相析出，降低了合金的力學(xué)性能，合金的強(qiáng)度進(jìn)一步下降到52 MPa。

AlSi7MgLa鋁合金；金相組織；力學(xué)性能

我國稀土資源豐富，加速開發(fā)稀土的應(yīng)用，發(fā)揮資源優(yōu)勢，將對國民經(jīng)濟(jì)起到推動作用[1]。AlSi7Mg合金鑄態(tài)顯微組織中的共晶硅出現(xiàn)長針狀，嚴(yán)重割裂了鋁基體，降低了力學(xué)性能。為了改善共晶硅的形態(tài)，在鋁合金中加入稀土元素鑭，可使共晶硅粒狀化，提高鋁合金的性能[2-3]，更具意義的是稀土元素鑭對鋁熔體的處理不會對環(huán)境造成任何污染。金相檢驗(yàn)?zāi)軠?zhǔn)確了解金相組織并與工藝相互配合， 為提高鋁合金的力學(xué)性能提供了重要保證。根據(jù)金相組織情況，可知稀土元素鑭對鑄造鋁合金力學(xué)性能的影響，在工藝上采取可行的措施，可提高鋁合金的質(zhì)量。本文研究了不同稀土元素鑭，加入量對鑄造AlSi7MgLa鋁合金的金相組織和力學(xué)性能的影響。

1　試驗(yàn)方法

1.1制備工藝

本試驗(yàn)使用的原材料是AlSi7Mg鋁合金，其化學(xué)成分見表1。稀土元素鑭的加入量分別是0.15%、0.29%、0.43%、0.54%、0.65%、0.76%和0.87%。AlSi7MgLa鋁合金的制備工藝流程如下：將AlSi7Mg鋁合金放入坩堝中，再置于坩堝電阻爐中進(jìn)行熔煉，待鋁合金加熱到預(yù)定溫度(760～800 ℃)完全熔化后，通過Al-9.38%La稀土鋁中間合金向鋁合金熔體加入稀土元素鑭，當(dāng)稀土元素鑭完全熔化后，攪拌鋁熔體，使加入的稀土元素鑭在熔體中分布均勻，對處理后的合金熔體進(jìn)行扒渣和靜置一段時間后，澆入金屬模中，水淬，制得AlSi7MgLa鑄造鋁合金。

表1　AlSi7Mg鋁合金的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))　(%)

1.2力學(xué)性能測試和金相組織觀察

將澆注好的鑄錠從模具中取出，按GB/T 228—2002加工成拉伸試棒，在CMT5105型電子萬能材料試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行力學(xué)性能測試。金相試樣經(jīng)過磨光和拋光后，用0.5%的HF水溶液浸蝕，自來水和無水乙醇清洗吹干后，在Axio Imager A2m型金相顯微鏡下觀察金相組織。

2　結(jié)果與討論

2.1鑄造AlSi7MgLa鋁合金的力學(xué)性能

鑄造AlSi7MgLa鋁合金的力學(xué)性能見表2。從表2中可以看出，當(dāng)稀土元素鑭添加量為0.12%時，鋁合金的抗拉強(qiáng)度和伸長率較低，分別為92 MPa和0.8%；當(dāng)稀土元素鑭加入量增至0.31%時，合金抗拉強(qiáng)度和伸長率分別達(dá)到最高值，分別為116 MPa和2.2%。但當(dāng)繼續(xù)增加稀土元素鑭含量至0.54%時，合金的力學(xué)性能出現(xiàn)下降，抗拉強(qiáng)度和伸長率分別只有85 MPa和1.1%；再繼續(xù)增加稀土元素鑭含量到0.87%時，抗拉強(qiáng)度和伸長率進(jìn)一步下降至52 MPa和0.3%。通過分析可知，稀土元素鑭的加入量對AlSi7MgLa鋁合金的影響很大，加入量太少，稀土元素鑭的作用不明顯，不能使合金的力學(xué)性能達(dá)到較高值，但加入量太多又會導(dǎo)致合金的力學(xué)性能急劇下降。

表2　鑄造AlSi7MgLa鋁合金的力學(xué)性能

2.2金相組織分析

2.2.1放大倍數(shù)的確定

鑄造AlSi7MgLa鋁合金的金相組織分析主要包括共晶硅和析出稀土元素鑭相的形貌。由于共晶硅和稀土元素鑭相較為細(xì)小，在放大倍數(shù)為200和500倍的視場中，無法看清共晶硅和稀土元素鑭相的形狀(見圖1～圖3)；而在較高放大倍數(shù)(1 000倍)的視場中，能夠清晰地看到共晶硅和稀土元素鑭相的形貌(見圖4和圖5)。因此，在進(jìn)行共晶硅和稀土元素鑭的分析時，選擇了放大倍數(shù)為1 000倍的金相照片。

圖1　共晶硅相200×

圖2　共晶硅相500×

圖3　稀土元素鑭相500×

圖4　　共晶硅相1 000×

圖5　稀土元素鑭相1 000×

2.2.2稀土元素鑭相和力學(xué)性能的關(guān)系

圖6　沒有稀土元素鑭相析出1 000×

圖7　單個稀土元素鑭相析出1 000×

圖8　2個稀土元素鑭相析出1 000×

在金相顯微鏡下，當(dāng)AlSi7MgLa鋁合金中稀土元素鑭的加入量為0.31%時，共晶硅形成了顆粒狀(見圖6)，這時鋁合金的強(qiáng)度較高，達(dá)到116 MPa；當(dāng)稀土元素鑭的加入量增加到0.54%時，有單個稀土元素鑭相析出(見圖7)，合金的強(qiáng)度明顯下降，為85 MPa；當(dāng)稀土元素鑭的加入量為0.87%時，稀土元素鑭相析出的數(shù)量是2個(見圖8)，合金的強(qiáng)度進(jìn)一步下降到52 MPa(見表2)。說明當(dāng)稀土元素鑭的加入量過多時，在鋁合金的金相組織中出現(xiàn)了較大顆粒的稀土元素鑭相析出，這種析出較大顆粒的稀土元素鑭相在很大程度上對鋁合金的力學(xué)性能產(chǎn)生了惡化作用。因此，鑄造AlSi7MgLa鋁合金的力學(xué)性能與稀土元素鑭相的析出有關(guān)，稀土元素鑭相析出的數(shù)量也能反映合金的力學(xué)性能。2.2.3共晶硅形貌

當(dāng)鋁合金中沒有加入稀土元素鑭時，共晶硅出現(xiàn)長針狀(見圖9)；當(dāng)稀土元素鑭的加入量為0.42%時，共晶硅形成較粗的顆粒狀(見圖10)；當(dāng)稀土元素鑭的加入量進(jìn)一步增加到0.76%時，共晶硅呈細(xì)小的顆粒狀(見圖11)。說明隨著合金中稀土元素鑭添加量的增加，共晶硅明顯細(xì)化。這是由于稀土元素鑭在鋁中的最大固溶度為0.05%，結(jié)晶時稀土原子會被排斥到固液界面前沿產(chǎn)生富積，阻礙了硅原子越過界面進(jìn)入固溶體，從而達(dá)到細(xì)化硅的目的；另外，稀土元素鑭在共晶硅生長界面前沿形成很高的濃度，增大了生長前沿的成分過冷，促進(jìn)共晶硅的分枝和改變其生長方式，有效地阻礙了共晶硅的長大[4]。

圖9　共晶硅為長針狀1 000×

圖10　共晶硅為較粗的顆粒狀1 000×

圖11　共晶硅為細(xì)小的顆粒狀1 000×

3　結(jié)語

綜上所述，可以得到如下結(jié)論。

1)在較高放大倍數(shù)(1 000倍)的視場中，能清楚地顯示出共晶硅和稀土元素鑭相的形貌，稀土元素鑭明顯改變了共晶硅的形貌。

2)當(dāng)稀土元素鑭的加入量為0.31%時，共晶硅形成了顆粒狀，AlSi7MgLa合金的強(qiáng)度較高。

3)當(dāng)稀土元素鑭的加入量>0.54%時，出現(xiàn)了較大顆粒狀的稀土元素鑭相析出，降低了AlSi7MgLa合金的力學(xué)性能。

[1] 胥鍇,劉政,劉萍. 稀土在鋁及鋁合金中的應(yīng)用現(xiàn)狀與展望[J]. 有色金屬加工, 2005,34(5):10-14.

[2] 樊剛,程剛. 稀土金屬在鑄造鋁合金中的應(yīng)用[J]. 昆明理工大學(xué)學(xué)報, 2002,27(2):13-15.

[3] 賴華清,徐翔,范宏訓(xùn). 稀土在鑄造鋁合金中的作用[J]. 熱加工工藝, 2001(5):37-39.

[4] 張秀梅，史志銘，張瑞英. 混合稀土變質(zhì)對ZL101鋁合金組織和性能的影響[J]. 輕合金加工技術(shù)，2011，39(5):63-65.

*云南省社會發(fā)展科技計(jì)劃-科研院所技術(shù)開發(fā)研究專項(xiàng)項(xiàng)目(2011CF009)

責(zé)任編輯鄭練

Study on Microstructure and Mechanical Properties of Cast AlSi7MgLa Aluminum Alloy

YAN Hong1, ZHANG Hui2, YANG Zugui1

(1.Kunming Metallurgy Research Institute, Kunming 650000, China; 2.Yunnan Aluminum Industry Share Co., Ltd., Kunming 650502, China)

Addition of rare earth element La in cast aluminum alloy plays an important role. The rare earth element La is added to the aluminum alloy melt through the Al-9.38%La rare aluminum alloy, and the AlSi7MgLa cast aluminum alloy is obtained. The microstructure and mechanical property of AlSi7MgLa alloy is studied by metallographic microscope and electronic universal material testing machine. Results show that the morphology of eutectic silicon is changed by rare earth La. When the addition of rare earth La is 0.31%, eutectic silicon forms a fine particle. The strength of the alloy is high to 116 MPa. When the amount of La is 0.87%, there is La phase separation more than eutectic silicon, and the mechanical property of alloy is decreased. The strength of the alloy is decreased further to 52 MPa.

AlSi7MgLa aluminum alloy, microstructure, mechanical properties

TG 244

A

閆洪(1961-)，男，教授級高級工程師，主要從事金屬材料等方面的研究。

2016-04-22