Sr变质对ADC12组织及性能的影响

熊俊杰，闫　洪，揭小平

(1. 南昌大学 机电工程学院；南昌 330031; 2. 南昌市轻合金材料制备与加工重点实验室， 南昌 330031)



Sr变质对ADC12组织及性能的影响

熊俊杰1,2，闫洪1,2，揭小平1,2

(1. 南昌大学 机电工程学院；南昌 330031; 2. 南昌市轻合金材料制备与加工重点实验室， 南昌 330031)

采用金相显微镜、扫描电镜、差热分析等手段，研究了不同含量的Sr变质对ADC12合金显微组织和力学性能的影响。实验结果表明，Sr的加入降低了该合金的共晶温度，较大程度地改善了合金的组织及性能。当加入0.05%(质量分数)的Sr时，组织中的α-A1相和共晶硅相均得到了明显的细化，树枝状的初生α-A1相已基本被打断，晶核数量增多，形貌为近球状，尺寸变得更加细小，而共晶硅相则呈细小弥散分布的纤维状，此时合金的综合力学性能较佳，其抗拉强度达到269.54 MPa，延伸率达到3.21%，分别比基体合金提高了47.48%和65.46%，并且合金材料断口上解理面变少，韧窝数量增加，形貌变小、变深，分布也较为均匀，表现为明显的韧性断裂。

Sr变质； ADC12合金；显微组织；力学性能；差热分析

0　引　言

铝合金具有密度小、比强度高、成形性好、易于回收利用等优点，因而在国民经济中得到了较为广泛的应用。作为一种Al-Si-Cu系合金[1-2]，ADC12因其优越的性能而被广泛应用于汽车工业领域。但是，合金组织中粗大的α-Al树枝状枝晶，大块状、长针状的Si相等其它粗大的金属间化合物却较大程度地降低了合金的力学性能[3]。研究表明，在铝合金中添加少量的变质剂(如Na、K、Ba、RE等元素)不仅能达到较好的细化和变质效果，还具有净化熔体和除气的作用[4-5]。因此，选用变质元素来改善铝合金的组织和性能具有重要意义，目前在这一方面的研究取得了较大进展。Qiu等[6]向Al-7Si-0.7Mg合金中添加了Sm，研究发现，当添加0.6%(质量分数)Sm时，晶粒形貌变得较为圆整，尺寸更加细小，硅相也得到了一定程度的细化，抗拉强度和延伸率较基体合金分别提高了17.5%和94.1%。李飞龙等[7]研究了 Na-Ba复合元素对改良后的铸造铝硅合金组织及性能的影响，结果表明，Na-Ba复合变质效果好，持续时间长，而且没有潜伏期。段海丽等[8]研究了La对A356铝合金的变质效果及变质机理，结果发现，当添加1.0%(质量分数)La时，组织中的共晶硅呈细小颗粒状，当变质剂原子半径与硅原子半径之比接近1.65时，变质剂变质作用具有长效性。而Sr是一种较为理想的变质材料[9-10]，故本文以Al-10%(质量分数)Sr中间合金的形式添加至ADC12铝合金中，研究了不同含量的Sr对该合金组织和性能的影响。

1　实验材料与制备工艺

实验采用Al-10%(质量分数)Sr中间合金来变质ADC12铝合金(其成分见表1)。具体工艺如下：将一定质量的ADC12铝合金锭放入石墨坩埚中过热至750 ℃使铝块完全熔化，接着用六氯乙烷精炼、除渣，然后加入小块的Al-Sr中间合金，其中Sr的质量分数为10%，配成不同Sr加入量的变质铝合金(0%，0.01%，0.05%，0.09%Sr)，接着随炉升温至770 ℃再保温25 min，随后降温至720 ℃浇注至预热温度为200～300 ℃的金属型模具中，待冷却后从铸锭下部取样。金相试样使用体积分数为0.5%的HF溶液进行腐蚀。用带有能谱仪(EDS)的Quanta 200型扫描电镜(SEM)对合金组织、成分进行观察和分析，利用OLYMPUS PMG-3金相显微镜观察试样的组织形貌。

表1　ADC12铝合金锭化学成分(%,质量分数)

2　实验结果

2.1铸态组织

图1为不同Sr加入量对ADC12铝合金显微组织的影响，组织中白色的为α-Al相，深黑色的为Si相。从图1可以看出，图1(a)中晶粒没有显现出较为清晰的轮廓，α-Al相也比较粗大且呈无规则状分布。当加入0.01%Sr后，晶粒轮廓变得清晰起来，形貌趋于圆整，尺寸也得到相应的细化，见图1(b)。当Sr加入量增至0.05%时，α-Al相轮廓变得愈加清晰，α-Al相形貌较为圆整，晶粒数量显著增加，尺寸也变得更加细小，见图1(c)。当加入0.09%Sr后，虽然α-Al相轮廓较清晰，形貌也趋于圆整，尺寸也较为细小，但没有Sr含量为0.05%时的细化效果好。此外，从图1(a)中可以看出，基体合金组织中共晶硅相主要呈粗大板条状、大块状、长针状，排列也不太规则，这些硅相会使合金铸件在受力变形时割裂基体,从而降低铸件的力学性能。当Sr加入量为0.01%时，共晶硅相得到一定程度的细化，形貌呈细小块状，短棒状、颗粒状，如图1(b)所示。当加入0.05%Sr后，共晶硅相分布较为均匀，形貌已完全变为细小纤维状，此时已达到良好的变质效果，如图1(c)所示。当Sr加入量增至0.09%时，共晶硅相形貌则变为短棒状、颗粒状、部分纤维状，变质效果没有Sr加入量为0.05%时的好。综上可知，Sr 能够明显细化ADC12铝合金组织中的α-Al相及共晶硅相，当Sr的添加量为0.05%时效果较佳。

图1　不同Sr加入量时ADC12合金的铸态显微组织

2.2富Sr金属间化合物的SEM及EDS

当变质元素Sr加入到ADC12合金时，富含Sr元素的金属间化合物将在熔体中生成。图2为Sr添加量为0.09%(质量分数)时ADC12合金的SEM-EDS显微照片。图中呈短棒状且带亮色光泽的相为富Sr金属间化合物，见图2(a)。 图2(b)-(e)则分别显示了Al、Si、Sr、Cu 4种元素在该区域内的分布状况。从图中可以看出，Si和Sr元素主要分布在富Sr金属间化合物区域，Al元素在该区域内分布则较少，而Cu元素在整个面区域分布则较为均匀，因此，可推断Sr主要与Si元素反应结合生成了Sr-Si金属间化合物。

2.3差热分析

图3为在升温速率为10 ℃/min时变质铝合金的差热分析(DTA)曲线，特定的反应峰代表某一特点物相的转变。由图可知，在每个试样的加热曲线中都存在着一个较宽的吸热峰，该峰被认为是合金的共晶温度。变质前，对应的曲线峰值温度为570.4 ℃；加入0.01%(质量分数)Sr后，该峰对应的温度有略微的降低，变为568.2 ℃；当加入0.05%(质量分数)Sr后，对应的曲线峰值温度降为566.7 ℃，与变质前相比，峰值温度下降幅度较大，达到3.7 ℃；当加入0.09%(质量分数)Sr后，温度降为567.9 ℃，峰值温度下降幅度有所降低。由此可知，在添加Sr的ADC12合金中，合金的共晶温度出现了下降的趋势，结合前面的铸态组织分析可知共晶温度低是变质良好合金所具备的一个特征，这也佐证了H.S.Kang[11]和K.Nogita[12]等的研究成果。

图2　Sr添加量为0.09%(质量分数) 时ADC12合金中富锶金属间化合物的SEM-EDS显微照片

Fig 3 DTA curves of ADC12 alloys with different Sr additions

2.4力学性能

图4所示为室温下不同Sr添加量对ADC12合金力学性能的影响。

图4　不同Sr加入量时ADC12合金的力学性能

Fig 4 The tensile properties of as-cast ADC12 alloys with different additions of Sr at room temperature

由图4可知，经Sr变质处理的合金其力学性能优于未经变质处理的合金。当加入0.01%(质量分数)Sr后，组织中的初生α-Al相、共晶硅相均得到了一定程度的细化，抗拉强度为237.72 MPa，延伸率为2.65%，分别比基体合金提高了30.07% 和36.60%；当加入0.05%(质量分数)Sr后，组织细化更加明显，此时合金的力学性能较佳，抗拉强度达到269.54 MPa，延伸率达到3.21%，分别比基体合金提高了47.48% 和65.46%；当Sr加入量增至0.09%时，组织细化效果减弱，抗拉强度为240.68 MPa，延伸率为2.73%，分别比基体合金提高了31.69%和40.72%。

2.5断口扫描

图5为不同Sr加入量下ADC12铝合金的室温拉伸断口SEM形貌。由图5(a)可以看出，未变质时，整个拉伸断口上分布着较多不规则的脆性平坦区及一些撕裂棱，韧窝特征不明显，其断裂方式表现为准解理断裂，因而导致材料力学性能的降低。而Sr的加入使得断口上的解理面减少，韧窝数量逐渐增加，解理型断裂特征逐渐减弱，呈现较为明显的韧窝型断裂特征，见图5(b)和(c)。从图5(b)中可以看出，当添加0.05%(质量分数)Sr时，韧性断裂特征更为明显，韧窝数量较多，形貌变小、变深，分布也较为均匀，这将较大程度地提高材料的力学性能。这表明变质后的铝合金室温拉伸断口形貌分析结果与其力学性能变化趋势是一致的。

图5　不同Sr加入量时ADC12合金的室温拉伸断口SEM形貌

3　分析与讨论

Sr能细化合金中的初生α-Al相，使其晶核数量增加。根据Kolmogorov、 Johnson、 Mehl 和 Avrami 提出的KJMA 晶粒长大模型[13]，假设在合金的熔化凝固过程中，在同一时间内形成N个半径为R的球形晶粒，其中N为单位体积所具有的晶核数，并且考虑到凝固终了阶段晶粒间的接触因素，则在时间t时熔体中的固相率fs可表示为

(1)

(2)

(3)

(4)

在式(2)中，k为常数，由晶核的形貌决定；形核率n和晶核生长速率vg的大小决定了晶核数量的多少。当适量的Sr加入到熔体中时，共晶温度的下降将导致合金熔体中过冷度ΔT的提高。熔体在凝固时，较大的过冷度将促进初生相α-A1的形核和长大，然而，由式(3)和(4)可以看出，形核率n的增长速率大于晶核生长速率vg的增长速率，最终导致合金中α-A1的晶核数量增多、尺寸变小。当添加0.05%的Sr时，晶粒细化效果较好，当Sr的添加量增至0.09%时，共晶温度降低幅度变小，晶粒细化效果减弱。

此外，Sr是典型的吸附类变质元素[14]，对合金组织中的共晶硅相有着良好的变质作用。根据Hume-Rothery原则[15]，溶质和溶剂的原子半径相对差大于15%时，合金体系中只能形成低固溶度的固溶体。而Sr的原子半径为0.215 nm，溶剂Al的原子半径为0.143 nm，两者之间的原子半径相对差约为50.35%，因此Sr进入初生相α-Al晶格内的概率较低，大部分富集在晶界处，从而导致成分过冷,促发共晶硅的复合孪晶产生，孪晶表面也存在一些原子级台阶或犁沟[16]，Sr富集使得原子大量的吸附在这些原子级台阶或犁沟上，从而封闭了硅相及其孪晶表面的原子级台阶或犁沟，达到细化效果。另外，Sr变质元素原子的吸附也将引起硅相孪晶边界能的降低，当合金中Sr的添加量为0.01%时，共晶硅相主要以细小短棒状、小块状、颗粒状形态生长，这可能是因为共晶过冷度还较小，且孪晶边界能还较大，这时产生孪晶的机率较小。当合金中Sr的添加量增至0.05%时，共晶过冷度增大，使得由溶质原子产生的成分过冷达到最优值，固液界面相对比较稳定，同时孪晶边界能降低，产生孪晶的概率增大，孪晶行为更易发生，导致硅相在更多的方向上生长，使得硅相产生弯折、分叉，硅相形态向纤维化转变。由于Sr的变质能力较强，当Sr的加入量达到0.09%时，硅相形貌由纤维状变为了细小颗粒状及块状，这可能是因为此时溶质原子产生的成分过冷偏离了最佳状态，从而破坏了固液界面的稳定，组织向着过变质状态转变，开始出现团聚和长大的趋势。

综上可知，Sr的加入对ADC12合金中初生α-Al相及共晶硅相的形貌、分布、尺寸具有较大的影响。Sr的加入较大程度地改善了合金组织，而良好的组织又大大提高了合金的力学性能。

4　结　论

(1)ADC12合金中加入适量的Sr能使其组织得到较大程度的细化。当加入0.05%(质量分数)Sr时，组织中的α-A1相和共晶硅相均得到了明显的细化，树枝状的初生α-A1相已基本被打断，晶核数量增多，形貌为近球状，尺寸变得更加细小，而共晶硅相则呈细小弥散分布的纤维状。

(2)差热分析结果表明，加入Sr后，ADC12合金的共晶温度有所下降。当加入质量分数为0.05%的Sr后，合金的共晶温度降低了3.7 ℃，从而使共晶硅相的结晶过冷度增大，促进变质作用。

(3)Sr的加入能显著提高合金的力学性能。当添加0.05%(质量分数)的Sr时，合金具有良好的综合力学性能，其抗拉强度达到269.54 MPa，延伸率达到3.21%，分别比基体合金提高了47.48% 和 65.46%，并且合金材料断口上解理面变少，韧窝数量增加，形貌变小、变深，分布也较为均匀，表现为明显的韧性断裂。

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Effect of Sr modification on structures and properties of ADC12

XIONG Junjie1,2, YAN Hong1,2, JIE Xiaoping1,2

(1. School of Mechanical and Electrical Engineering,Nanchang University, Nanchang 330031,China;2. Key Laboratory of Light Alloy Preparation & Processing in Nanchang City, Nanchang 330031,China)

Microstructures and mechanical properties of ADC12 alloy with different Sr additions were studied by optical microscopy, scanning electron microscopy and thermal analysis in this article. The experiment results show that the addition of Sr not only caused a depression of eutectic temperature but also improved microstructure and property of the alloy. α-Al and eutectic silicon phases could be refined significantly when 0.05wt% Sr was added to the alloy. And it was found that Sr was capable of breaking down the primary α-A1 phases, giving rise to an increment in the number of crystalline grains, the morphology of crystalline grains became mainly near-spherical shape, the size was tended to be finer, the morphology of eutectic silicon phases was fibrous. under the circumstance, comprehensive mechanical properties of ADC12 alloy were better, the tensile strength and elongation reached 269.54 MPa and 3.21% respectively, increased by 47.48% and 65.46% than those of the matrix respectively, and cleavage surfaces of the alloy were lessened, the dimples were increased in quantity, diminished in size, deepened in the morphology, the characteristic of ductile fracture was obvious.

Sr modification; ADC12 alloy; microstructure; mechanical properties; thermal analysis

1001-9731(2016)08-08104-05

国家自然科学基金资助项目(51364035)；教育部高等学校博士学科点专项科研基金联合资助课题资助项目(20133601110001)；江西省教育厅落地计划资助项目(KJLD14003)；党外专家博士产学研合作计划资助项目(2012-CYH-DW-XCL-002)

2015-01-15

2015-12-01 通讯作者：闫洪，E-mail: yanhong_wh@163.com

熊俊杰(1988-)，男，江西宜春人，在读硕士，师承闫洪教授，从事新材料制备与成形技术研究。

TG146.2

A

10.3969/j.issn.1001-9731.2016.08.017