铸造A356.2(Sc,La)铝合金研究
2022-07-15杨祖贵
闫 洪 张 辉 杨祖贵
(昆明冶金研究院有限公司,中铝集团中央研究院昆明分院,昆明 650031)
0 引言
在铝合金中加入稀土元素,不仅具有变质处理的作用,而且还能提高力学性能[1-2]。为了改善铝合金的使用性能,扩大其应用范围,通过稀土合金化技术对铝合金进行处理,取得了较好的效果。由于单独添加稀土La 对铝合金的力学性能提高不大,而且Sc 的成本较高,因此,通过两种稀土元素Sc 和La 的添加,不仅减少了Sc 的加入量,降低成本,而且显著细化了共晶硅,使合金的力学性能得到较大提高。目前国内对稀土铝合金的研究主要集中在添加单一稀土方面[3~8],而对添加两种稀土元素的铸造A356.2(Sc、La)铝合金未见相关报道。本文通过加入两种稀土元素Sc 和La,形成了铸造A356.2(Sc、La)铝合金,并对其组织和力学性能进行分析,为优化工艺提供理论和试验依据。
1 实验
实验用材料为A356.2铝合金,稀土元素Sc和La分别以Al-2.01%Sc 及Al-9.62%La 中间合金的形式加入。将A356.2 铝合金放入石墨坩埚电阻炉中,温度升到740℃,待A356.2 铝合金完全熔化后,扒渣,放入Si 并搅拌熔体,然后升温到790℃,加入Al-9.62%La 中间合金,搅拌熔体1 min,保温15 min,降温到740℃,加入Al-1.98%Sc 中间合金进行熔化,搅拌熔体,使合金成分均匀,降温到725℃,通入高纯氮气进行精炼,扒渣,静置后,浇入已经预热到310℃的铸铁模具中,取出试样,水淬,制备成A356.2(Sc、La)铝合金,其化学成分见表1。试验中,稀土Sc含量0.38wt%,稀土La含量0.14wt%,并进行了对比试验。金相组织分析在AxioimagerA2m型研究级智能数字材料显微镜上进行,合金的抗拉强度和伸长率用CMT5105型电子万能试验机测定,采用Quanta 600 型扫描电镜和Genesis 型能谱仪进行显微观察和能谱分析,用EMPYREAN型X射线衍射仪对合金物相进行分析。
表1 铸造A356.2(Sc、La)铝合金的化学成分Tab.1 Chemical composition of cast A356.2(Sc,La)aluminum alloy wt%
2 结果及分析
2.1 铸造A356.2(Sc、La)铝合金的相组成
由铝合金XRD 分析测试结果(图1)可知,,Al3Sc相衍射峰很微弱,析出的Al3Sc 相比较细小,说明稀土La的添加阻止了Al3Sc相的形成和析出。
图1 铸造A356.2(Sc、La)铝合金的XRD图谱Fig.1 XRD pattern of A356.2(Sc,La)aluminum alloy
2.2 稀土Sc和La对合金铸态显微组织的影响
由图2(a)可见,在未添加稀土元素时,铸造A356.2 铝合金中大部分共晶硅的形状是针片状,少数为块状,共晶硅的平均尺寸为13.6 μm,较为粗大。在合金中添加单一稀土0.14%La 后,铸造A356.2(La)铝合金的共晶硅形貌得到改善,大部分共晶硅是块状,少数为条状,共晶硅得到细化,平均尺寸减小到6.3 μm[图2(b)]。图2(c)所示为添加两种稀土元素0.38%Sc+0.14%La 的铸造A356.2(Sc、La)铝合金的显微组织,此时共晶硅完全转变为均匀细小的颗粒状组织,平均尺寸仅为2.3 μm。这说明,在合金中单独添加稀土元素La 有一定的共晶硅晶粒细化效果,但细化作用有限,而添加两种稀土元素Sc和La对共晶硅的细化作用更强烈。
图2 铸造铝合金的显微组织1 000×Fig.2 Microstructure of cast aluminum alloy
2.3 稀土元素Sc、La 与合金力学性能及共晶硅的关系
稀土元素Sc 和La 对铸造A356.2 铝合金力学性能及共晶硅的影响见表2,可知,未添加稀土元素的铸造A356.2 铝合金的共晶硅平均尺寸13.6 μm,力学性能较差;添加0.14%La 后,形成的铸造A356.2(La)合金的共晶硅平均尺寸降到6.3 μm,其抗拉强度和伸长率有所提高;而铸造A356.2(Sc、La)合金的共晶硅细化到2.3 μm,抗拉强度和伸长率分别提高到181.62 MPa 和4.0%,较添加铸造A356.2(La)合金,细化效果更好,力学性能更高,所以稀土元素Sc和La 对铸造铝合金的强化属于对共晶硅的细晶强化。Sc 和La 对共晶硅的细化作用机制是:(1)Al 与Sc 的结合形成了Al3Sc 相,Al3Sc 相和基体α-Al 相的晶格类型和参数相近,可作为异质形核核心细化α-Al相的晶粒,Al3Sc相在合金凝固时的异质晶核作用,增加了合金熔体中的形核数,从而细化α-Al 相晶粒尺寸[9],Sc 对α-Al 相的细化伴随着对共晶硅相的细化,α-Al 相细化和数量的增多造成各个方向阻力的增大,致使共晶硅难于长大,从而使共晶硅成为细小的颗粒状;(2)稀土La 相与Si 有较强的亲和力,它吸附在Si相生长界面的前沿,阻止Si相的成长。
表2 铝合金的共晶硅尺寸和力学性能Tab.2 Eutectic silicon dimensions and mechanical properties of aluminum alloys
2.4 合金中稀土元素Sc和La的分布
由图3中铸造A356.2(Sc、La)铝合金的SEM 微观组织可见,合金中分布着一些亮白色的第二相,为不规则的形状,通过图3(b)能谱分析可知,该亮白色第二相的化学成分为:68.88Al-24.52Si-0.32Sc-4.201La-2.08Mg,说明第二相与稀土Sc和La有关。
图3 铸造A356.2(Sc、La)铝合金的SEM图像和能谱分析Fig.3 SEM microstructure and energy spectrum analysis results of cast A356.2(Sc,La)
为了解稀土Sc 和La 在铝合金中的分布,对铸造A356.2(Sc、La)铝合金的凝固组织进行了Sc 和La 元素的面扫描分析,结果见图4,可以看出,合金显微组织中出现了不同形状的Sc 相和La 相,分散分布,较为细小,其中,Sc 相、La 相的平均尺寸为3.5、4.5 μm。稀土元素Sc 的形状差异较大,除部分固溶于α-Al相以外,还有一部分以第二相粒子Al3Sc相的形式存在,分散分布于基体中,在铝合金中起到弥散强化的作用[10]。总之,稀土Sc 和La 对铝合金的强化是弥散强化和细晶强化共同作用的结果。
图4 铸造A356.2(Sc、La)铝合金中稀土元素的面分布图像Fig.4 Areal distribution of rare earth elements in A356.2(Sc,La)aluminum alloy
3 结论
(1)添加两种稀土元素Sc 和La 的铸造A356.2(Sc、La)铝合金较单独添加一种稀土元素La 的A356.2(La)铝合金有更好的共晶硅细化效果,能使共晶硅由原来平均尺寸为1 3.6 μm的粗大针片状向平均尺寸只有2.3 μm的细小颗粒状转变,共晶硅形貌得到明显改善。而单独添加一种稀土元素La只能将共晶硅细化到6.3 μm。
(2)含有两种稀土元素Sc 和La 的A356.2(Sc,La)铝合金的抗拉强度和伸长率明显高于含有一种稀土元素La 的A356.2(La)铝合金,铝合金的抗拉强度由136.22 MPa 提高到181.62 MPa,伸长率由1.8%增加到4.0%,从而大大提升了铝合金的力学性能。而含有一种稀土元素La 的A356.2(La)铝合金的抗拉强度和伸长率分别为148.84 MPa和2.3%,增加幅度较小。
(3)稀土Sc 和La 在铸造A356.2(Sc、La)铝合金中形成了Al3Sc 相、AlSc 相、Sc 相、La 相等,分散分布于基体中,起到了弥散强化的作用,同时这些相阻止了共晶硅的长大,使共晶硅细化,形成细晶强化,在弥散强化和细晶强化的双重作用下,合金的力学性能显著提高。