Ba对亚共晶铝硅合金微观组织与力学性能的影响

摘 要：通过光学显微镜、拉伸试验等分析测试方法，研究了Ba对Al-7Si合金微观组织、力学性能的影响。结果表明，Ba可以使共晶硅形貌由粗大的片状转变为短棒状或者细小的颗粒状，当Ba含量为0.15wt.%时，变质效果最好，共晶硅转变为纤维状或者细小的颗粒状，Ba含量继续增加，Si颗粒粗化并且变成短棒状。合金的抗拉强度和延伸率随着Ba含量的增加呈现先增加后降低的趋势，当Ba含量为0.15wt.%，合金的抗拉强度和延伸率达到峰值， 分别为184.4 MPa和15.1%。

关键词：Al-7Si合金；硅颗粒；力学性能；微观组织

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.15.268

近年来，汽车的迅速普及在推动社会发展的同时也带来了一系列资源与环境问题，汽车轻量化是汽车节能减排的重要手段，所以汽车轻量化开始成为汽车行业研究的重要方向。其中铝合金凭借其密度小、比强度高、易回收成为汽车轻量化中代替钢铁的主要材料，给汽车减重带来了新的机遇[1]。铸造工艺具有生产效率高，可以生产复杂的形状部件，成本低的优点，所以，目前超过70%的汽车部件为铸造铝合金[2]。 Al-Si系合金由于其优良的铸造性能，较好的力学性能和耐腐蚀性成为广泛应用的铸造铝合金。随着汽车业的继续发展，对性能和安全的要求越来越高，对材料的要求也越来越高，需要Al-Si合金的延伸率大于15%，屈服强度大于150MPa[3]。新型铸造铝合金已经被开发出来，例如Aural-2，Silafont 36[4]，但这些合金是由Sr变质的Al-Si合金，其部分共晶硅形貌呈现短棒状，还需要通过热处理来球化共晶硅，从而提高合金的力学性能，增加了生产成本。有研究者[5，6]发现Ba可以使共晶硅转变为纤维状或者细小的颗粒状，但是对于Ba对Al-Si合金微观组织及力学性能缺少系统的研究。本文主要讨论Ba对Al-7Si的微观组织以及力学性能的影响。

本实验主要通过加入Ba对Al-7Si合金进行变质处理，讨论Ba对Al-7Si合金微观组织以及力学性能的影响。

1 实验材料与方法

本实验所用原材料为纯Al（99.99wt.%）、Al-18wt.%Si中间合金、纯Ba等。纯Al以及Al-18wt.%Si中间合金在电阻炉中熔炼，在720 °C条件下保温30 min，使纯Al以及Al-18wt.%Si中间合金全部熔化，进行扒渣，在720 °C加入纯Ba（用铝箔包裹），大约保温5 min后通入氩气，在720 °C保温10 min，对液体进行2次扒渣，继续在720 °C下保温10 min，然后将合金浇注到金属模具中（模具温度250 °C），冷却后取出铸件，用于研究Ba对Al-Si合金微观组织以及力学性能的影响，利用ICP（Inductive Coupled Plasma Emission Spectrometer） 電感耦合等离子光谱测定Al-7Si合金中的化学成分，如表1所示。

实验过程中金相组织使用Keller（0.5 mLHF+1.5 mLHCL+2.5 mLHNO3+95.5 mLH2O）试剂腐蚀12 s。然后在CarlZeiss Axivovert 40 MAT型号光学显微镜下观察金相组织，用SHIMADZV AG-X50KN型号的拉伸机拉伸试样，拉伸试样尺寸如图1所示，厚度为5 mm。拉伸速度为1 mm/min。

2 实验结果与分析

2.1 Ba对微观组织的影响

图2为Al-7Si-xBa合金的金相，可以观察到Ba元素的加入对α（Al）的二次枝晶间距影响不明显，但是共晶硅的形貌发生了较大的改变。从图2（b）中可以看出未变质合金共晶硅呈现片状；当Ba含量为0.05wt.%时，如图2（d）所示，片状的共晶硅转变为短棒状和颗粒状的共晶硅，有部分的共晶硅呈现短棒状，变质没有完全。Ba含量为0.15wt.%时，如图2（f）所示，片状的共晶硅转变为纤维状或细小颗粒状。当Ba含量增至0.50wt.%和1.00wt.%时，如图2（h）（j）所示，有一些区域重新又出现短棒状的共晶硅相，出现了过变质现象。

2.2 Ba对力学性能的影响

如图3所示，未变质合金的抗拉强度为164.5 MPa，随着Ba含量的增加，Al-7Si-xBa合金的抗拉强度和延伸率先增加后降低。当Ba含量为0.15wt.%时，合金抗拉强度达到最大值，为184.4 MPa，比未变质合金抗拉强度提高了12.1 %；当Ba含量继续增加，合金的抗拉强度开始下降，当Ba含量为1.00wt.%时，Al-7Si合金的抗拉强度下降到107.9 MPa。未变质的合金的延伸率为10.3%；当Ba含量为0.15wt.%时，延伸率最好，达到15.1 %，相比未变质合金延伸率提高了46.6 %，Ba含量继续增加，延伸率开始下降，当Ba含量增加到1.0wt.%时，合金的延伸率下降到2.8%。未变质Al-7Si合金的屈服强度为92 MPa。加入Ba元素后，合金的屈服强度均有所下降，当Ba含量为1.00wt.%时，下降至57 MPa。

研究表明[7]，共晶硅的形貌和大小将对Al-7Si的性能产生影响，共晶硅形貌呈现出片状时，在拉伸过程中容易在轮廓尖锐处产生应力集中，造成微裂纹，加速试样的失效过程，降低合金的力学性能；共晶硅颗粒的球化和细化程度越高，越有利于合金的力学性能。

当Ba含量为0.05wt.%时，共晶硅转变为短棒状或者颗粒状，减少了共晶硅对基体的割裂作用，当Ba含量为0.15wt.%时，共晶硅转变为纤维状或者细小的颗粒状，共晶硅变质效果更好，抗拉强度和延伸率继续增大；Ba含量继续增加到0.50wt.%和1.00wt.%时，部分共晶硅形貌重新变成短棒状，Si相形貌变得粗大，增大了对基体的割裂作用，增大了在轮廓尖锐处产生应力集中，抗拉强度和延伸率开始下降。endprint

3 结论

（1）Al-7Si合金加入Ba后，共晶硅形貌由粗大的片状转变为短棒状或者细小的颗粒状。当Ba含量为0.15wt.%时，变质效果最好，较难发现短棒状共晶硅存在。随着Ba含量的继续增加，Si颗粒粗化变为短棒状，出现过变质现象。

（2）Al-7Si-xBa合金的抗拉强度和延伸率随着Ba含量的增大呈现先升高后降低的现象，当Ba含量为0.15wt.%时，抗拉强度以及延伸率达到峰值，分别为184.4 MPa和15.1%，抗拉强度和延伸率相比未变质状态下分别提高了12.1 %和 46.6 %。

参考文献：

[1]钟奇，施毅，刘博.铝合金在汽车轻量化中的应用[J].新材料产业，2015（02）：23-27.

[2]王祝堂，张新华.汽车用铝合金[J].轻合金加工技术，2011， 39（02）：1-14.

[3]S.Ji，D.Watson，Z.Fan，M.White.Development of a super ductile diecast Al-Mg-Si alloy，Materials Science & Engineering A， 2012（556）：824-833.

[4]D.Bosch，S.Pogatscher，M.Hummel.Secondary Al-Si-Mg High-pressure Die Casting Alloys with Enhanced Ductility， Metallurgical and Materials Transactions A，46A（2015），1035-1045.

[5]K.Nogita，A.Knuutinen，S.D.McDonald.Mechanisms of eutectic solidification in Al-Si alloys modified with Ba， Ca， Y and Yb， Journal of Light Metals， 2001 （1） 219-228.

[6]M.Shamsuzzoha，L.Nastac，A.Haque.Development of high-strength and highly ductile hypo-eutectic Al-Si alloys by nano-refining the constituent phases，Light Metal，2014，365-367.

[7]Hamilton D R，Seidensticker R G.Propagation Mechanism of Germanium Dendrites[J].Journal of Applied Physics，1960， 31（07）：1165-1168.

作者簡介：张进（1991-），男，安徽芜湖人，硕士，研究方向：铸造铝合金合金化处理。endprint