Sc、Zr复合改性对A356铝合金组织和性能的影响

2020-05-03庄鹏程杜晓东

有色金属加工 2020年2期

庄鹏程，张壮，杜晓东

(合肥工业大学材料学院，安徽合肥 230009)

随着能源和环境形势日益严峻，节能降耗和绿色环保成为汽车制造的重要指标。铝合金具有密度小，比强度、比刚度高，抗腐蚀性好、良好的加工能力、减重效果好、回收利用率高等优点，因而成为汽车轻量化的首选材料[1-3]。Al-Si系铸造铝合金在汽车领域广泛运用，其中A356铝合金是使用较多的一种铸造铝合金，其化学成分(质量分数，%)为，Si 0.70，Mg 0.30，Ti 0.02，Sr 0.02，Al余量[4]。A356铝合金的铸态组织α-Al固溶体粗大，有偏析、氧化物、空隙等缺陷，需要对其进行变质处理和微合金化[5-7]。徐雪芳等[8]研究0.17%Sc的铝合金的比不含Sc的铝合金的硬度、抗拉强度与伸长率分别提高13.3 HV、40.4 MPa和2.4%；Zhifan Wei等[9]研究Y的加入改善了铸态合金的显微组织，初生α-Al的分布均匀有序，长针状共晶Si相和β-Fe相向带状和短棒状转变。Sc和Zr的复合添加对晶粒细化、力学性能具有显著效果，但目前对于A356铝合金Sc、Zr复合添加的研究较少，本文旨在研究Sc、Zr改性A356铝合金组织和性能的影响，提高A356铝合金的综合性能。

1 试验材料及方法

实验所用到原材料为中间合金Al-21.54 wt.% Si，Al-50.38 wt.% Mg，Al-3.93 wt.% Ti，Al-9.15 wt.% Sr，Al-2.02 wt.% Sc，Al-3.9 wt.% Zr和纯度为99.99 wt.%的铝锭。熔炼浇注过程中使用中间合金Al-Sr对铝液进行变质处理，浇注温度为730℃，得到4种Sc、Zr添加量不同的样品：Al-7Si-0.3Mg-0.2Zr、Al-7Si-0.3Mg-0.2Zr-0.1Sc、Al-7Si-0.3Mg-0.2Zr-0.2Sc、Al-7Si-0.3Mg-0.2Zr-0.3Sc。

铸造后的样品线切割成10mm×10mm×10mm的方块，进行磨制抛光，然后使用Keller试剂进行腐蚀，采用MR-5000型光学显微镜观察不同部位的金相组织。通过X′PertPRO型X射线衍射仪对试样进行XRD分析。采用HV-5维氏硬度计进行显微硬度测试，试验参数为载荷5N，加载时间10s。按照GB/T2281-2010 金属材料拉伸实验第1部分室温试验方法的规定加工成拉伸试样，在CMT-5105电子万能试验机上进行拉伸性能测试，加载速度为2.0mm/min，测定拉伸试样的屈服强度、抗拉强度和伸长率，并在蔡司SIGMA场发射扫描电镜下观察拉伸断口形貌，研究A356铝合金的断裂机制。

2 结果与讨论

2.1 金相组织

4种不同Sc含量的铸态合金金相显微组织如图1所示。使用Image-Pro pulse 6.0 image analyzer 软件根据截线法近似计算二次枝晶臂间距 (Secondary Dendrite Arm Spacing， SDAS)，得到4种合金的SDAS如图2所示。截线法近似计算SDAS公式为：SDAS=L/n；式中，L为图像中任意截线的长度，n为截线所截胞界的总数或截线与共晶区域交点的总数[10， 11]。

从图1和2可知，添加0.2wt.%Zr的A356铝合金，组织呈现粗大的树枝晶形态，对应的SDAS约为25.4μm，表征了树枝晶的组织细化程度较小，且晶界处存在连续的针片状组织，部分直径较小的针片状组织聚集在一起形成团簇，说明合金组织需要进一步优化。根据Al-Si二元合金相图，A356铝合金属于亚共晶合金，其凝固过程析出α-Al枝晶和共晶Si相，因此图中粗大的树枝晶为初始α-Al相，针片状组织为共晶硅相[10]。在合金中加入0.2wt.%Zr、0.1wt.%Sc(图1(b))，合金的显微组织开始由粗大的树枝晶向近等轴晶发生转变，α-Al基体相变化较小，且共晶硅仍主要以针片状形貌存在。添加0.2wt.%Zr 、0.2wt.%Sc后(图1(c))，晶粒形貌发生了较大变化，SDAS减小至18.5μm，相较于只添加0.2wt.%Zr合金的SDAS减小了27.2%，S.L. Pramod等人[12]研究Sc的加入减小了SDAS。也有文献报道在Al-Si-Mg合金中，Zr代替了部分Sc元素，生成了Al3(Sc，Zr)化合物，为形核时提供更多的异质形核位点，起到了细化晶粒的作用[13，14]。此外，共晶硅也发生明显变化，从之前的针片状转变为短棒状，在基体晶界上的分布更为均匀。添加0.2wt.%Zr、0.3wt.%Sc后(图1(d))，SDAS未随Sc含量的增加进一步细化，树枝晶的SDAS约为19.7μm，相较于Sc含量为0.2 wt.%的合金SDAS增加了6.5%。比较分析可知，复合添加0.2wt.%Zr 、0.2wt.%Sc对于合金铸态组织细化效果最好。

2.2 XRD物相分析

图3是4种铸态Al-7Si-0.3Mg-0.2Ti-0.2Zr-xSc合金的XRD衍射图谱，从图中可以看出，铸态合金中存在α-Al相和共晶硅相。比较4种合金的各晶面衍射峰强度，添加了不同梯度过渡元素后的4种合金中，除了Al-7Si-0.3Mg-0.2Zr-0.1Sc合金外，其他合金在凝固过程中沿着(111)方向生长的择优取向并未发生明显变化，Al-7Si-0.3Mg-0.2Zr-0.1Sc合金在(111)方向最高，说明该合金在该方向上生长的趋势最大；(220)和(311)方向的晶面峰强度比明显先增加后减小，(200)方向的晶面风强度逐渐增加，这表明α-Al相在(220)和(311)方向生长的晶面趋势逐渐被(200)晶面所取代。

2.3 力学性能

试验合金的维氏硬度变化如图4所示。结果显示，未添加Sc的合金的硬度为58.6HV，随着Sc含量的增加试验合金的硬度呈现先增后减的趋势，当复合添加0.2 wt.% Zr、0.2wt.% Sc时合金的硬度达最大值69.4HV，相比于未添加Sc的合金增加了18.4%；当Sc元素的含量增加到0.3wt.%时，合金的硬度比0.2wt.%Sc的有所降低。硬度的变化规律与组织的演变规律密切相关，合金二次枝晶臂间距先增后减的趋势与硬度变化趋势暗合，当Sc含量为0.2wt.%时，合金的二次枝晶臂间距最小，硬度达到最大值。

图5为试验合金的抗拉强度和伸长率随Sc含量增加的变化情况图。由图5可知，未添加Sc元素的合金抗拉强度和伸长率分别为138MPa、3.5%；随着Sc含量的增加，试验合金的抗拉强度和伸长率整体呈现递增趋势，当复合添加0.2 wt.% Zr、0.2wt.% Sc后，合金的抗拉强度和伸长率达到最大值229MPa、10.5%，增长幅度分别为65.9%和200%，力学性能得到大幅提升。

图6显示了不同Sc含量下铸态合金的断口形貌特征。未添加Sc元素的拉伸断面，如图6(a)所示，断口截面上存在着大量撕裂棱和解理小平面，分布不均匀，存在较浅的韧窝，断裂方式为准解理断裂。随着Sc含量的增加，实验合金的抗拉强度与延伸率逐渐增加，添加0.2wt.% Zr、0.1wt.% Sc(图6(b))，断面上的撕裂棱进一步减小，韧窝数量逐渐增加，合金的断裂方式转变为韧脆混合型断裂。Zr、Sc的复合添加，使合金的初始α-Al相得到细化，共晶硅变质效果明显，提高了合金的力学性能。添加0.2wt.% Zr、0.2wt.% Sc(图6(c))，断裂面上分布着较多韧窝与小解理面，且韧窝分布较为均匀，韧窝深度增加，断裂方式主要是韧性断裂。添加0.2wt.% Zr、0.3wt.% Sc(图6(d))，分布着尺寸不等、深浅不一的韧窝，断裂方式主要是韧性断裂。