铸造AlSi7MgLa铝合金的金相组织和力学性能研究*

闫　洪，张　辉，杨祖贵

(1.昆明冶金研究院，云南 昆明 650000；2.云南铝业股份有限公司，云南 昆明 650502)



铸造AlSi7MgLa铝合金的金相组织和力学性能研究*

闫洪1，张辉2，杨祖贵1

(1.昆明冶金研究院，云南 昆明 650000；2.云南铝业股份有限公司，云南 昆明 650502)

在铸造铝合金中，添加稀土元素镧可以起到明显的效果。通过Al-9.38%La稀土铝中间合金向铝合金熔体加入稀土元素镧，制得了铸造AlSi7MgLa铝合金。用金相显微镜和电子万能材料试验机研究了铸造AlSi7MgLa铝合金的金相组织和力学性能，结果表明，稀土元素镧能改变共晶硅的形貌，当稀土元素镧的加入量为0.31%时，共晶硅形成细小的颗粒状，合金的强度较高，为116 MPa。当稀土元素镧加入量为0.87%时，有比共晶硅粗大的稀土元素镧相析出，降低了合金的力学性能，合金的强度进一步下降到52 MPa。

AlSi7MgLa铝合金；金相组织；力学性能

我国稀土资源丰富，加速开发稀土的应用，发挥资源优势，将对国民经济起到推动作用[1]。AlSi7Mg合金铸态显微组织中的共晶硅出现长针状，严重割裂了铝基体，降低了力学性能。为了改善共晶硅的形态，在铝合金中加入稀土元素镧，可使共晶硅粒状化，提高铝合金的性能[2-3]，更具意义的是稀土元素镧对铝熔体的处理不会对环境造成任何污染。金相检验能准确了解金相组织并与工艺相互配合， 为提高铝合金的力学性能提供了重要保证。根据金相组织情况，可知稀土元素镧对铸造铝合金力学性能的影响，在工艺上采取可行的措施，可提高铝合金的质量。本文研究了不同稀土元素镧，加入量对铸造AlSi7MgLa铝合金的金相组织和力学性能的影响。

1　试验方法

1.1制备工艺

本试验使用的原材料是AlSi7Mg铝合金，其化学成分见表1。稀土元素镧的加入量分别是0.15%、0.29%、0.43%、0.54%、0.65%、0.76%和0.87%。AlSi7MgLa铝合金的制备工艺流程如下：将AlSi7Mg铝合金放入坩埚中，再置于坩埚电阻炉中进行熔炼，待铝合金加热到预定温度(760～800 ℃)完全熔化后，通过Al-9.38%La稀土铝中间合金向铝合金熔体加入稀土元素镧，当稀土元素镧完全熔化后，搅拌铝熔体，使加入的稀土元素镧在熔体中分布均匀，对处理后的合金熔体进行扒渣和静置一段时间后，浇入金属模中，水淬，制得AlSi7MgLa铸造铝合金。

表1　AlSi7Mg铝合金的化学成分(质量分数)　(%)

1.2力学性能测试和金相组织观察

将浇注好的铸锭从模具中取出，按GB/T 228—2002加工成拉伸试棒，在CMT5105型电子万能材料试验机上进行力学性能测试。金相试样经过磨光和抛光后，用0.5%的HF水溶液浸蚀，自来水和无水乙醇清洗吹干后，在Axio Imager A2m型金相显微镜下观察金相组织。

2　结果与讨论

2.1铸造AlSi7MgLa铝合金的力学性能

铸造AlSi7MgLa铝合金的力学性能见表2。从表2中可以看出，当稀土元素镧添加量为0.12%时，铝合金的抗拉强度和伸长率较低，分别为92 MPa和0.8%；当稀土元素镧加入量增至0.31%时，合金抗拉强度和伸长率分别达到最高值，分别为116 MPa和2.2%。但当继续增加稀土元素镧含量至0.54%时，合金的力学性能出现下降，抗拉强度和伸长率分别只有85 MPa和1.1%；再继续增加稀土元素镧含量到0.87%时，抗拉强度和伸长率进一步下降至52 MPa和0.3%。通过分析可知，稀土元素镧的加入量对AlSi7MgLa铝合金的影响很大，加入量太少，稀土元素镧的作用不明显，不能使合金的力学性能达到较高值，但加入量太多又会导致合金的力学性能急剧下降。

表2　铸造AlSi7MgLa铝合金的力学性能

2.2金相组织分析

2.2.1放大倍数的确定

铸造AlSi7MgLa铝合金的金相组织分析主要包括共晶硅和析出稀土元素镧相的形貌。由于共晶硅和稀土元素镧相较为细小，在放大倍数为200和500倍的视场中，无法看清共晶硅和稀土元素镧相的形状(见图1～图3)；而在较高放大倍数(1 000倍)的视场中，能够清晰地看到共晶硅和稀土元素镧相的形貌(见图4和图5)。因此，在进行共晶硅和稀土元素镧的分析时，选择了放大倍数为1 000倍的金相照片。

图1　共晶硅相200×

图2　共晶硅相500×

图3　稀土元素镧相500×

图4　　共晶硅相1 000×

图5　稀土元素镧相1 000×

2.2.2稀土元素镧相和力学性能的关系

图6　没有稀土元素镧相析出1 000×

图7　单个稀土元素镧相析出1 000×

图8　2个稀土元素镧相析出1 000×

在金相显微镜下，当AlSi7MgLa铝合金中稀土元素镧的加入量为0.31%时，共晶硅形成了颗粒状(见图6)，这时铝合金的强度较高，达到116 MPa；当稀土元素镧的加入量增加到0.54%时，有单个稀土元素镧相析出(见图7)，合金的强度明显下降，为85 MPa；当稀土元素镧的加入量为0.87%时，稀土元素镧相析出的数量是2个(见图8)，合金的强度进一步下降到52 MPa(见表2)。说明当稀土元素镧的加入量过多时，在铝合金的金相组织中出现了较大颗粒的稀土元素镧相析出，这种析出较大颗粒的稀土元素镧相在很大程度上对铝合金的力学性能产生了恶化作用。因此，铸造AlSi7MgLa铝合金的力学性能与稀土元素镧相的析出有关，稀土元素镧相析出的数量也能反映合金的力学性能。2.2.3共晶硅形貌

当铝合金中没有加入稀土元素镧时，共晶硅出现长针状(见图9)；当稀土元素镧的加入量为0.42%时，共晶硅形成较粗的颗粒状(见图10)；当稀土元素镧的加入量进一步增加到0.76%时，共晶硅呈细小的颗粒状(见图11)。说明随着合金中稀土元素镧添加量的增加，共晶硅明显细化。这是由于稀土元素镧在铝中的最大固溶度为0.05%，结晶时稀土原子会被排斥到固液界面前沿产生富积，阻碍了硅原子越过界面进入固溶体，从而达到细化硅的目的；另外，稀土元素镧在共晶硅生长界面前沿形成很高的浓度，增大了生长前沿的成分过冷，促进共晶硅的分枝和改变其生长方式，有效地阻碍了共晶硅的长大[4]。

图9　共晶硅为长针状1 000×

图10　共晶硅为较粗的颗粒状1 000×

图11　共晶硅为细小的颗粒状1 000×

3　结语

综上所述，可以得到如下结论。

1)在较高放大倍数(1 000倍)的视场中，能清楚地显示出共晶硅和稀土元素镧相的形貌，稀土元素镧明显改变了共晶硅的形貌。

2)当稀土元素镧的加入量为0.31%时，共晶硅形成了颗粒状，AlSi7MgLa合金的强度较高。

3)当稀土元素镧的加入量>0.54%时，出现了较大颗粒状的稀土元素镧相析出，降低了AlSi7MgLa合金的力学性能。

[1] 胥锴,刘政,刘萍. 稀土在铝及铝合金中的应用现状与展望[J]. 有色金属加工, 2005,34(5):10-14.

[2] 樊刚,程刚. 稀土金属在铸造铝合金中的应用[J]. 昆明理工大学学报, 2002,27(2):13-15.

[3] 赖华清,徐翔,范宏训. 稀土在铸造铝合金中的作用[J]. 热加工工艺, 2001(5):37-39.

[4] 张秀梅，史志铭，张瑞英. 混合稀土变质对ZL101铝合金组织和性能的影响[J]. 轻合金加工技术，2011，39(5):63-65.

*云南省社会发展科技计划-科研院所技术开发研究专项项目(2011CF009)

责任编辑郑练

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

闫洪(1961-)，男，教授级高级工程师，主要从事金属材料等方面的研究。

2016-04-22