稀土元素对Al-Si-Cu-Mg系压铸铝合金组织和性能的影响

朱锐祥，秦新宇，胡 南，陆良宇

合肥工业大学 材料科学与工程学院，安徽 合肥 230009

Al-Si系铸造合金相比于其它系别的铝合金，具有良好的综合力学性能及原料成本较为低廉的特点而日益受到人们的关注，并被广泛用于汽车、航空、军工等领域中．ADC12铝合金作为Al-Si系铸造合金中的一员，经压铸后因其铸件的强度高、热膨胀系数小、耐腐蚀性能高且切屑性能好，而被作为生产汽车发动机缸体、缸盖及引擎齿轮箱的理想材料．但由于ADC12铝合金组织中存在不少块状、板条状、长针状的Si相及枝晶粗大的α-Al相，这些因素阻碍了该合金力学性能的提升．因此，在工业生产中为了提高铝合金的综合力学性能，经常会对合金进行变质细化处理[1-3]．

研究表明，稀土元素能与多种元素发生反应并形成稳定化合物，可以净化合金液体，改善合金铸件的微观组织和铸造缺陷，增强合金的力学性能[4-7]．因此，针对ADC12铝合金，采用单项实验法分别向合金中加入不同种类、不同含量的稀土元素，旨在分析稀土元素对压铸铝合金组织与性能的影响规律．

1 实验部分

1.1 试 样

实验所需材料为ADC12铝合金，其成分含量如表1所示．

表1 ADC12铝合金成分含量

采用单项实验法向ADC12铝合金中添加不同量的Ce，La及Sm稀土元素，稀土元素是以Al-La中间合金、Al-Ce中间合金、Al-Sm中间合金的形式加入的，它们在合金中的加入量如表2所示．

实验的试棒采用压铸工艺制备，试样的形状及尺寸如图1所示．

表2 合金中稀土元素添加量

图1 试样形状及尺寸图Fig.1 Sample shape and size

1.2 方 法

首先将熔炼所需的铁器工具如搅拌棒、撇渣勺、钟罩等进行清洁，在除锈清洁工作完成后将铸造涂料(质量分数为30 %的滑石粉(CaCO3)、3%的中性水玻璃及67%的蒸馏水的混合物)均匀涂抹在铁器工具的表面，随后将铁器工具置于250 ℃的保温炉内进行时长为1.5 h的烘烤，去除其表面的水分．然后用天平称取熔炼时所需的各合金原料，待原料经铝合金清洗剂清洗去污后放入温度为200 ℃的保温炉中进行烘干，时长为2 h．最后将坩埚预热到400 ℃后，将干净、预热好的ADC12铝合金放入坩埚电阻炉中进行熔炼，加热到760 ℃后保温，待铝合金熔化后加入稀土中间合金，经搅拌、精炼(精炼剂为C2Cl6)、静置和打渣后，采用低压冷室压铸方式将合金液压铸成试棒．

1.3 仪 器

用SG2-5-12型坩埚电阻炉进行合金原料熔炼，熔炼结束后通过DCC400型卧式冷室压铸机将合金液压铸成试棒．用SYJ-150A型低速金刚石切割机切割出金相试样，并在WX100型抛光机上进行打磨直至无划痕.用Zwick/Roll Z050型电子拉伸实验机测试合金试样的力学性能，通过ZEISS-Imager型金相显微镜对合金显微组织进行观察，运用Image-Pro-Plus软件对合金微观组织中共晶硅相的平均面积及长径比进行分析．

2 结果及分析

2.1 金相组织观察及分析

2.1.1 ADC12铸态下显微组织

图2为无添加铸态下ADC12铝合金的显微组织．从图2中可看出：ADC12铝合金微观组织中浅灰色的为富Fe相，主要为块状、条状，尺寸相对来说较大；深黑色的为共晶Si相，主要为板条状、长针状，并且棱角较为锋利，合金受拉时容易引起应力集中，从而降低合金的综合力学性能；组织中白色的为α-Al相，其枝晶较为粗大、分布不均匀、排列交叉错乱、呈树枝状，在一定程度上还存在偏析现象，以及二次枝晶臂间距较宽，这些均阻碍着合金综合力学性能的提升．

图2 ADC12铸态下显微组织Fig.2 ADC12 microstructure under cast state

2.1.2 Ce元素对合金组织的影响及分析

图3为添加不同量Ce元素铸态下合金的金相显微组织．从图3(a)可见：当w(Ce)=0.2%时，α-Al相得到了一定程度的细化，粗大树枝状α-Al枝晶减少，细小α-Al枝晶增多；富Fe相变为小块状，甚至颗粒状；共晶Si形貌变成无锋利的棱角，比较光滑且其尺寸明显减小．从图3(b)可见：当w(Ce)=0.4%时，α-Al相出现了明显的细化，粗大的α-Al枝晶基本消失，初生的α-Al相枝晶也处于细小的形态；富Fe相的分布也较为均匀，其形貌已逐步变为细小颗粒状，细化效果较为明显；共晶Si相也以细小颗粒状的形态分布在α-Al晶界上，此时变质效果较佳，二次枝晶臂间距也降低许多，甚至有些α-Al晶粒边界变得圆整了．从图3(c)可见，当Ce的加入量增至0.6%时，α-Al枝晶开始变得粗大起来，富Fe相细化程度也有所减弱，开始出现偏聚和长大的现象，此时共晶Si相又逐渐变为细小短棒状、条状，细化效果有所减弱．

Ce元素能够细化晶粒的原因是因为Ce原子可吸附在Si相表面，使Si在{111}晶面形成大量孪晶，促使共晶Si按孪晶凹谷机制多面生长，使共晶Si相变为棒状或纤维状，从而达到细化共晶硅的作用．并且Ce元素能够与合金中的Si，Cu，Mg和Mn等元素形成多元稀土合金相，这些稀土相能够于固/液界面前沿产生富集，导致成分过冷的同时也阻碍了固液界面的移动与α-Al相晶粒的长大，从而细化了晶粒．同时Ce元素在α-Al形核过程中，可以引起晶格畸变，一定情况下会与Fe相化合物反应，从而改善了Fe相的形貌，削弱了Fe相对基体的割裂作用，达到细化晶粒的作用．当合金中Ce元素的含量较大时，Ce元素会与熔体中的合金元素发生反应并生成数量较多的粗大混合稀土化合物，使得液相中各溶质原子的数量减少，进而导致了液相平衡溶解度的降低，破坏了固液界面的稳定性，致使二次枝晶臂间距增大，最终导致α-Al相晶粒变得粗大，降低了合金的力学性能．

图3 加入Ce元素后合金的金相组织(a)w(Ce)=0.2%；(b)w(Ce)=0.4%；(c)w(Ce)=0.6%Fig.3 The metallographic structure of the alloy after adding Ce element

2.1.3 La元素对合金组织的影响及分析

图4为添加不同量的La元素后铸态下合金的金相显微组织图．从图4可见，随着w(La)增加，合金中的α-Al相晶粒尺寸变小、数量增多、排列较为紧密，而二次枝晶臂间距明显减小．从图4(a)可见，当La的添加量为0.2%时，α-Al相得到了一定程度的细化，粗大的α-Al枝晶减少，细小α-Al枝晶增多．从图4(b)可见，当La的添加量为0.4%时，合金试样的微观组织变化最大，此时组织晶粒数量最多，几何尺寸最小且大小相近，粗大的块状多边形初晶硅消失，针状的共晶硅也得到不同程度的细化，由长针状变为短棒状，几乎没有粗大的树枝晶存在，甚至有些晶粒边界变得圆整了，此时二次枝晶臂间距最小，合金的抗拉强度增加．从图4(c)中可见，当La的添加量为0.6%时，α-Al枝晶开始变得粗大起来，合金微观组织的改善效果有所下降．

因为La元素在合金中的固溶度较低，基本不溶于α-Al基体，凝固过程中这些稀土相便会富集于固/液界面前沿，增大了熔体的过冷度，形成了一定数量的细小形核质心，从而促进了晶粒形核，提高了形核率，达到了细化晶粒的目的．而当La元素的加入量过高时，合金中会形成大量的多元稀土化合物，这些化合物会聚集长大且形状不规则，并释放出大量的结晶潜热，使得固-液界面前沿的溶质浓度梯度的改善作用降低，致使晶粒粗化，进而导致合金受力时容易引起应力集中而产生裂纹，一定程度上降低了合金的力学性能．

图4 加入La元素后合金的金相组织(a)w(La)=0.2%；(b)w(La)=0.4%；(c)w(La)=0.6%Fig.4 The metallographic structure of the alloy after adding La element

2.1.4 Sm元素对合金组织的影响及分析

图5为添加不同量的Sm元素后铸态下合金的金相显微组织图．从图5可见：当w(Sm)=0.2%时细化效果最为明显，组织中树枝状α-Al枝晶得到了明显的改善且大部分为等轴晶及一些被碎化的枝晶，共晶硅也出现细化且大多数呈纤维状或短棒状并呈均匀分布，同时组织中气孔缺陷也得到了改善；随着Sm含量的增加，合金组织的改善程度逐渐降低，当w(Sm)=0.4%和w(Sm)=0.6%时，合金组织中又开始出现粗大晶粒，同时粗大针状且分布不均匀的共晶硅相增多．

Sm元素有着细化晶粒的作用，其原因是：(1)合金中Sm元素的氧化物为合金提供了形核介质，促进了异质形核，提高了形核率，使得铸件组织中的晶粒数增加，晶粒变小；(2) Sm原子填补了α-Al枝晶表面缺陷的同时降低了固液两相间的表面张力，阻碍了基体晶粒的长大，使铸件组织中的晶粒细小且排列紧密．当合金中Sm元素含量较高时会出现过变质现象，合金中稀土相容易长大并出现团簇的趋势，致使稀土相不能均匀的分布在熔体中，起不到异质形核的作用．同时，由于晶界处的稀土相含量过多，使得晶界变厚，从而减弱了其成分过冷的作用，导致晶粒细化效果减弱．

图5 加入Sm元素后合金的金相组织(a)w(Sm)=0.2%；(b)w(Sm)=0.4%；(c)w(Sm)=0.6%Fig.5 The metallographic structure of the alloy after adding Sm element

综上所述，加入稀土元素后合金组织出现了不同程度地细化．当Ce，La及Sm的质量百分含量分别为0.4%，0.4%和0.2%时，合金组织中晶粒细化效果最为明显，其中Sm元素的变质效果最佳．

运用Image-Pro-Plus软件，进一步对稀土变质后合金微观组织中共晶硅相平均面积及长径比进行分析．图6为加入稀土元素后合金中共晶硅相平均面积及长径比变化情况．从图6可见：加入稀土元素后合金中共晶硅相尺寸变小，而且明显细化；随着稀土元素加入量的提高，共晶硅的尺寸先下降后增加；当Sm元素加入量为0.2%时，合金中共晶硅相尺寸达到最小．

2.2 稀土元素对合金抗拉强度的影响

添加Ce，La及Sm三种元素加入后，对经压铸所得合金试棒进行了拉伸实验，以研究稀土元素加入对合金的抗拉强度及延伸率的影响，未加入稀土元素合金的σ=285 MPa和δ=2.23%．图7和图8为抗拉强度与断后延伸率对比曲线图.从图7和图8可见，随着稀土元素的加入，合金的抗拉强度与延伸率有着不同程度的提高，表明稀土的加入可改善合金的综合力学性能．

图6 加入稀土元素后合金中共晶硅相平均面积及长径比Fig.6 Average area and aspect ratio of eutectic silicon phase in alloy after rare earth element addition

图7 加入Ce，La和Sm后合金的抗拉强度Fig.7 Tensile strength of alloy after adding Ce, La and Sm

图8 加入Ce，La和Sm后合金的断后延伸率Fig.8 Elongation of alloy after adding Ce, La and Sm

随着合金中Ce含量的增加，合金的抗拉强度先增后降，而延伸率一直增大．当Ce加入量为0.4%时，合金的抗拉强度与延伸率分别为316MPa和2.41%，比基体合金提高了10.9%和8.1%．随着合金中La元素含量的增加，合金的抗拉强度与延伸率皆是先增大后降低．当w(La)=0.4%时，合金的抗拉强度与延伸率分别为305 MPa和2.66%，分别比基体合金提高了7.0%和19.3%．随着合金中Sm元素含量的增加，合金的抗拉强度与延伸率也是先增大后降低．当Sm加入量为0.2%时，合金的抗拉强度与延伸率均达到最优，分别为331MPa和2.69%，比基体合金提高了16.1%和20.6%.

综合分析可知，Sm元素对合金的综合力学性能影响最大，Ce元素次之，而La元素影响最小．

3 结 论

添加稀土元素后，合金组织明显的细化、组织中晶粒排列紧密，尺寸细小且相近，共晶硅呈现纤维状或短棒状，同时组织中气孔缺陷也得到了改善，致使合金的综合力学性能得到了很大的提升，其中当Sm含量为0.2%时，合金组织细化效果最好．

随着稀土元素的加入，合金的抗拉强度与延伸率有着不同程度的提高，其综合力学性能得到了改善．其中在w(Ce)=0.4%时，合金的抗拉强度与延伸率分别比基体合金提高了10.9%和8.1%；当w(La)=0.4%时，合金的抗拉强度与延伸率分别比基体合金提高了7.0%和19.3%；当w(Sm)=0.2%时，合金的抗拉强度与延伸率分别比基体合金提高了16.1%和20.6%．表明，Sm元素对合金的综合力学性能影响最大、Ce元素次之、La元素影响最小．