Zr、La对Al-Mg-Si合金机械性能的影响

吴 楠，祝 哮，谢方亮，杨 路，郑 建

(辽宁忠旺集团有限公司，辽宁 辽阳 111000)

随着汽车轻量化的发展，铝合金广泛应用于汽车行业。铝合金除了具有密度小、耐蚀好、易加工等优点外，还具有一定的吸能性，其中6xxx系铝合金吸能效果较佳，因而汽车防撞系统多采用6xxx系铝合金。由于防撞系统长期处于热暴露环境中，其力学性能会有所下降，降低了使用性能，导致汽车安全系数降低。

Zr和稀土元素有细化晶粒、改善合金耐热性等作用。稀土在铝合金中主要以固溶态、晶界和枝晶界偏聚以及化合物这3种形式存在，具有净化熔体、变质和细化晶粒等作用[1]，其中含量(质量分数,下同)在0.03%～0.07%时以第一种形式存在，含量<0.3%时以前两种形式存在，含量>0.3%时主要以化合物形式存在[2]。张向宇等[3]人曾探讨过不同含量的La元素对6063合金组织和性能的影响，在文中指出当La元素含量低于0.3%时，随着La含量的提高其合金性能也会随之提高，当La含量>0.3%时，过量的La与Si、Fe形成粗大的AlFeSiLa稀土化合物，消耗了Si元素，使合金的强化相数量减少，合金性能降低；文献[4]中提到Zr含量>0.3%，将会形成粗大的ZrAl3，降低了合金的性能。但关于Zr和稀土元素影响6xxx系铝合金机械性能和热稳定性的研究甚少。本文通过在Al-Mg-Si合金分别添加0.18%Zr、0.18%La，研究Zr和La对Al-Mg-Si合金挤压型材机械性能和热稳定性的影响。

1 试验材料及方法

原材料为工业纯铝、工业纯镁、工业纯硅、Al-10%Zr和Al-10%La中间合金，配制Al-Mg-Si、Al-Mg-Si-Zr、Al-Mg-Si-La三种合金成分，分别记为O、Z、L合金，主要合金成分见表1。

表1 铝合金试样主要合金(质量分数，%)

采用半连续铸造方式制备上述三种合金圆锭，铸锭直径为198mm，经520℃×8h均火制度处理后挤压，在线淬火，切头切尾处理后，进行自然时效(T4)和人工时效(T6)处理。铸态试样经打磨、抛光、Keller试剂腐蚀后，在扫描电镜下观察并进行EDS分析，在AG-X100KNH万能试验机上进行挤压态力学性能测试和弯曲试验，在高温拉伸试验机上测定150℃温度下的高温力学性能，在YBT1206液压伺服万能试验机进行压缩试验。经T6处理后的试样，在150℃下分别保温24h、48h、72h、96h、120h、144h，待试样温度降至室温进行力学性能测试。

2 试验结果与讨论

2.1 显微组织

图1为O、Z、L三种合金铸态SEM图，表2为EDS分析结果。枝晶网络连续、均匀，并且晶界上有Mg2Si相存在。基体上存在近似圆形或形状不规则、黑色的第二相，结合能谱分析结果，该类相含有Al、Fe、Mg、Si元素，推测为AlFeSi、Mg2Si相。EDS分析结果显示在晶界上有La元素存在，推测为AlMgSiLa化合物。

(a)O；(b) Z；(c) L图1 三种合金铸态SEM图Fig.1 As-cast SEM image of three alloys

表2 EDS分析结果(质量分数，%)

2.2 力学性能

图2为三种合金挤压材试样在自然时效(T4)和人工时效(T6)状态下的力学性能，可以看出，T4和T6状态Z合金的强度较高，O和L合金强度相似，Z合金强度比O和L合金的高10MPa～20MPa。

稀土元素主要是通过固溶、细化晶粒组织和形成含稀土的第二相来到达强化的目的。La在铝合金中极限固溶度0.28%，固溶强化作用不明显，此作用不考虑。La的加入形成含La的第二相，具有一定强化作用，但La与Si元素反应，消耗了强化相Mg2Si中Si原子，强化相数量减少，对Al-Mg-Si合金起到了弱化的作用，二者相抵消，O与L合金性能相似。Zr与Al形成ZrAl3，在晶界处钉扎，阻碍晶界迁移和位错移动，提高合金强度；除此之外部分固溶在基体中的Zr元素起到一定程度的固溶强化作用，因而添加Zr可提高Z合金强度。

(a)T4；(b)T6图2 三种合金试样在T4和T6状态下的力学性能Fig.2 Mechanical properties of three alloy samples at T4 and T6

图3为三种合金挤压材150℃的力学性能。La能够形成含La的第二相，这些相具有粒子化、球化特征，且熔点较高，具有一定的耐热性[1]。另外，从图1可看出在晶界上有含有La化合物存在，在高温下起到强化并稳定了晶界，提高了合金的高温性能，因此高温下L合金力学性能高于O和Z合金。

(a)T4；(b)T6图3 三种合金试样在150℃温度下的力学性能Fig.3 Mechanical properties of three alloy specimens at 150 °C

2.3 弯曲和压缩性能

三种合金挤压材在T6状态下的弯曲角度均在145°至152°之间。由图2(b)可知，O、Z、L三种合金T6状态的强度和断后伸长率相近，其塑性相近，因而弯曲角度无明显区别，且均无裂纹出现。

图4为三种合金挤压材T6状态的压缩试验图片，从图中可看出三种合金均无开裂现象。根据文献[6]介绍，O、Z、L三种合金压缩变形为混合变形模式(手风琴+钻石模式)，在压缩过程中，试样首先以手风琴模式发生变形，在形成2个完整的褶皱之后，转变为钻石模式，吸能性能将降低。

(a)O；(b) Z；(c) L图4 三种合金挤压材压溃图片Fig.4 Three alloy extrusion crushed pictures

2.4 热稳定性

图5为三种合金挤压材在150℃下保温24h～144h的力学性能。图中可见，O合金在保温24h时出现了峰值，而Z合金、L合金在保温72h时出现峰值，之后合金强度下降，Z和L合金的强度高于O合金。铝合金时效析出次序为：α过饱和固溶体、GP区、β″相、β′相、β(Mg2Si)相。最初析出的是与基体共格的β″相，具有一定的强化作用，合金强度提高，出现了峰值。随着保温时间的延长，弥散相β″扩散长大形成半共格的β′相，后期形成了稳定β相，合金强度下降，O合金强度整体呈下降趋势。

在整个热稳定性试验过程中L和Z合金的强度高于O合金。Zr的加入与Al形成ZrAl3相，具有一定的钉扎晶界作用，能够抑制晶界的迁移和位错的运动，Zr元素的添加延缓了Al-Mg-Si合金强度峰值的出现时间。另外固溶在基体中的Zr元素有一定的强化作用，在长期时效过程中改善了Al-Mg-Si合金的强度。

(a) 屈服强度；(b) 抗拉强度图5 三种合金挤压材在150℃下不同保温时间的力学性能Fig.5 Mechanical properties of three alloy extruded materials at different holding times at 150 °C

由于含有La、Si第二相的形成，降低了可移动扩散的Si浓度；La与Si的相互作用降低了Si原子的迁移速率，影响β(Mg2Si)相形成及长大；另外稀土La可提高β相析出激活能，推迟抑制了β相析出[7]，在长期时效过程中改善Al-Mg-Si合金强度下降的现象。

3 结论

(1)Zr元素添加提高了Al-Mg-Si合金常温力学性能，稀土元素与Si形成含稀土相，强化相Mg2Si数量减少，Al-Mg-Si合金常温性能无明显改善。

(2)Zr和稀土La的加入改善了Al-Mg-Si合金热稳定性能；在Al-Mg-Si合金中添加Zr和La能够延缓强度峰值出现时间，延迟Al-Mg-Si合金在长期热处理过程中强度的衰减。