趙繼濤， 尹冬松， 王振清

(1.黑龍江科技大學(xué) 理學(xué)院， 哈爾濱150022；2.哈爾濱工程大學(xué) 航天與建筑工程學(xué)院， 哈爾濱150001)

Ce含量對(duì)鋁硅合金組織與力學(xué)性能的影響

趙繼濤1,2， 尹冬松1， 王振清2

(1.黑龍江科技大學(xué) 理學(xué)院， 哈爾濱150022；2.哈爾濱工程大學(xué) 航天與建筑工程學(xué)院， 哈爾濱150001)

為研究稀土Ce對(duì)鋁硅合金的微觀組織和力學(xué)性能的影響，采用光學(xué)顯微鏡和掃描電子顯微鏡觀察合金的顯微組織，并測(cè)試了常溫顯微硬度和沖擊性能。結(jié)果表明：細(xì)化劑Al-5Ti中添加稀土Ce，鋁硅合金的顯微組織α-Al相由樹(shù)枝狀過(guò)渡到塊狀、球狀，共晶Si由針狀變?yōu)榱?、短棒狀，晶粒尺寸變小，合金的硬度、沖擊性能也明顯提高。Ce質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.6%時(shí)，鋁硅合金的晶粒改善最為明顯，組織更加均勻；合金硬度較高，為479.51 MPa；合金的沖擊韌性最大，達(dá)到28.95 J/cm2，較未添加Ce時(shí)提高了53.5%；合金斷口開(kāi)始出現(xiàn)少量韌窩，發(fā)生混合型斷裂。

鋁硅合金； Ce； 微觀組織； 力學(xué)性能； 斷口分析

鋁合金質(zhì)輕，鑄造、焊接等性能良好，但常規(guī)鑄造的鋁合金晶粒比較粗大，導(dǎo)致其力學(xué)性能降低，因此，在工業(yè)上大量推廣和應(yīng)用鋁合金，首先要解決其晶粒細(xì)化問(wèn)題。向鋁熔體中添加細(xì)化劑是鋁合金結(jié)晶組織微細(xì)化處理最簡(jiǎn)便且有效的方法，開(kāi)始是以Ti、B、Zr等元素的鹽類(lèi)化合物加入，如K2TiF6，KBF4等，20世紀(jì)90年代后，以加入Al-Ti、Al-Ti-C和Al-Ti-B為代表的新一代細(xì)化劑應(yīng)用最為廣泛[1-3]。另外，大量研究發(fā)現(xiàn)在鋁合金中添加稀土元素能夠有效除氫和減少氧化物夾雜、細(xì)化晶粒，從而改善合金的力學(xué)性能[4-6]。因此，筆者將稀土Ce以中間合金的形式加入到鋁合金熔體中，觀察Ce含量不同時(shí)鋁硅合金組織的變化，并分析其對(duì)鋁硅合金力學(xué)性能的影響。

1 實(shí)驗(yàn)材料與方法

1.1 材料制備

制備Al-7Si-1(Al-5Ti-xCe)的材料為純鋁塊(99.9%)、速熔硅(99.9%)、Al-5Ti-xCe中間合金，考慮燒損率，加入1.1%中間合金細(xì)化劑Al-5Ti-xCe。具體實(shí)驗(yàn)過(guò)程：配料；坩堝電阻爐預(yù)熱至700 ℃保溫；加入純鋁塊，730 ℃保溫待鋁塊完全熔化；加入速熔硅并攪拌，保溫20 min；分別加入1～4號(hào)細(xì)化劑，保溫15 min；加入六氯乙烷精煉，靜置扒渣；澆注。試樣1～4中Ce質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為0、0.3%、0.6%、0.9%。

1.2 組織觀察

從制備鑄件的相同部位取樣，粗磨平整，用0～6號(hào)金相砂紙細(xì)磨，試樣表面無(wú)明顯劃痕后進(jìn)行拋光處理，拋光液為Cr2O3水溶液。用體積分?jǐn)?shù)為10%的HF水溶液腐蝕，采用光學(xué)顯微鏡和掃描電子顯微鏡觀察組織形貌。

1.3 力學(xué)性能測(cè)試

硬度采用正四棱錐體金剛石壓頭，在試樣的不同位置測(cè)三次取平均值；使用JB-30B型沖擊試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行夏比沖擊實(shí)驗(yàn)，缺口為V型。

2 結(jié)果與討論

2.1 Ce對(duì)顯微組織的影響

a w(Ce)=0

b w(Ce)=0.3%

c w(Ce)=0.6%

d w(Ce)=0.9%

圖1為稀土Ce不同添加量的Al-7Si合金的金相照片，放大倍數(shù)為100倍。由圖1可見(jiàn)，細(xì)化劑中不含稀土Ce時(shí)，鋁硅合金中初生α-Al呈樹(shù)枝狀，共晶Si呈針片狀，枝晶臂比較粗大，枝晶尺寸波動(dòng)較大；w(Ce)為0.3%時(shí)，Si相變質(zhì)不明顯，只是分布變得較分散，初生α-Al由樹(shù)枝狀轉(zhuǎn)變成塊狀；w(Ce)為0.6%時(shí)，α-Al基本上是塊狀、球狀，共晶Si變?yōu)榱?，尺寸較均勻；w(Ce)為0.9%時(shí)，變質(zhì)的合金共晶Si為短棒狀，α-Al相也變成塊狀，但是晶粒尺寸分布不均勻，細(xì)化效果變得不明顯。圖1中晶粒平均尺寸依次為76.9、66.7、52.6和58.8 μm，圖1c中晶粒平均尺寸僅為a的68.4%。這說(shuō)明細(xì)化劑中添加稀土Ce時(shí)，能明顯改善鋁硅合金組織，細(xì)化晶粒。分析認(rèn)為，這是由于Ce質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加，細(xì)化劑提供的異質(zhì)形核質(zhì)點(diǎn)也顯著增加；共晶Si形貌的改變，則可能是稀土作為大半徑原子，易于富集于共晶Si和鋁液界面前沿，形成活性膜層，阻礙了共晶硅的長(zhǎng)大[7]。

2.2 Ce對(duì)硬度的影響

表1為添加Al-5Ti-xCe中間合金細(xì)化劑處理后的鋁硅合金顯微硬度測(cè)量結(jié)果。從表1可知，隨著稀土Ce質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，鋁硅合金的硬度越來(lái)越大。當(dāng)Ce質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.6%時(shí)，細(xì)化劑的細(xì)化效果最好，但經(jīng)Al-5Ti-0.9Ce細(xì)化劑處理過(guò)的鋁硅合金的硬度值最高。原因是稀土元素幾乎不溶于Si或Al中，而是富集在共晶硅及共晶Si和Al相之間，使得共晶Si變得細(xì)小。由于Al-5Ti-0.9Ce細(xì)化劑中稀土元素含量最多，固溶強(qiáng)化和彌散強(qiáng)化共同作用，所以硬度最高。

表1 鋁硅合金顯微硬度和沖擊韌性

2.3 Ce對(duì)沖擊性能的影響

夏比沖擊實(shí)驗(yàn)所得沖擊韌性實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1所示。由表1可見(jiàn)，鋁硅合金試樣的沖擊韌性隨著細(xì)化劑中Ce質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加在逐漸增大，Ce質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.6%的鋁硅試樣沖擊韌性最大為28.95 J/cm2，較未添加Ce的試樣1沖擊韌性提高了53.5%。這是由于試樣3中鋁合金經(jīng)細(xì)化后，α-Al基本上是塊狀、球狀，共晶Si相由原來(lái)的針片狀變?yōu)榱?，組織更加均勻，晶粒細(xì)化效果最好。試樣4和試樣1的沖擊韌性接近，原因可能是試樣4中Ce質(zhì)量分?jǐn)?shù)過(guò)高，Ce易與Al3Ti形成鋁鈦稀土復(fù)合相，使異質(zhì)晶核Al3Ti的數(shù)量減少，反而損害了中間合金細(xì)化劑的質(zhì)量，降低了細(xì)化效果[8]。

2.4 合金的沖擊斷口形貌

圖2為不同試樣沖擊斷口在掃描電子顯微鏡下1 000×的顯微形貌。圖2中試樣1分布著片層組織，微觀表面較為平坦，斷口上有河流花樣，斷裂以解里斷裂方式發(fā)生，表明合金的韌性很低而脆性很高，即合金發(fā)生脆性斷裂。試樣2合金斷口仍以片層組織為主，但出現(xiàn)撕裂棱，試樣3合金斷口出現(xiàn)了少量韌窩組織但分布不均勻，此時(shí)合金沖擊韌性最高，斷裂方式為準(zhǔn)解理與韌性斷裂，即合金發(fā)生混合型斷裂。試樣4斷口有較多的光滑臺(tái)階面，斷裂方式仍以脆性斷裂為主，沖擊韌性有所降低。

a 試樣1

b 試樣2

d 試樣4

3 結(jié) 論

(1)由質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.6%的Ce細(xì)化劑變質(zhì)的鋁硅合金晶粒改善最為明顯，組織更加均勻。

(2)經(jīng)Al-5Ti-xCe細(xì)化后的鋁硅合金的硬度、沖擊性能均有明顯提高；稀土元素Ce質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.6%時(shí)，鋁合金的沖擊韌性最大，達(dá)到28.95 J/cm2，較未添加Ce時(shí)提高了53.5%。Al-7Si組織的細(xì)化是其沖擊韌性提高的主要原因。

(3)由試樣斷口顯微形貌可見(jiàn)，不含Ce細(xì)化劑處理后鋁硅合金斷口內(nèi)部為片層組織，發(fā)生脆性斷裂。添加Ce后鋁硅合金出現(xiàn)韌窩組織，發(fā)生混合型斷裂，但以脆性斷裂為主。

[1] 彭晉民, 錢(qián)翰城. 鑄態(tài)鑄造鋁硅合金的現(xiàn)狀和發(fā)展[J]. 鑄造技術(shù), 2000, 6(11): 32-34.

[2] 衛(wèi)少波, 王 璠, 牛志鵬, 等. Al-5Ti-1B細(xì)化劑對(duì)7075鋁合金組織與性能的影響[J]. 有色金屬加工, 2014, 42(6): 18-21.

[3] 牛艷萍, 張 鳴, 李 沁， 等. Al-5Ti-1B細(xì)化劑對(duì)7075鋁合金組織與性能的影響[J]. 有色金屬加工, 2014, 42(6): 18-21.

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[8] 胡 華. 新型Al-Ti-B-RE細(xì)化劑的制備及其細(xì)化性能的研究[D]. 南寧： 廣西大學(xué), 2014.

(編校 王 冬)

Effect of Ce content on microstructure and mechanical properties of Al-Si alloy

ZhaoJitao1,2,YinDongsong1,WangZhenqing2

(1.School of Science, Heilongjiang University of Science & Technology, Harbin 150022, China; 2.College of Aerospace & Civil Engineering, Harbin Engineering University, Harbin 150001, China)

This paper is motivated by the need for investigating the effect of Ce on the miscrostructure and the mechanical property of Al-Si alloy by observing the microstructure of alloy using optical microscope and scanning electron microscope; and by testing the micro hardness under normal temperature and impact performance. The results demonstrate that the addition of Ce into finer Al-5Ti gives the miscrostructure of α-Al a transition from dendritic to block, ball, allowing eutectic Si to change from needle into granular and short rod, with a resultant smaller grain size and significantly improved impact performance; and the presence of Ce mass fraction of 0.6% is associated with significantly improved properties of Al-Si alloy, resulting in a more homogeneous structure; a higher metal hardness(479.51 MPa); the largest alloy impact toughness, up to 28.95 J/cm2, 53.5% higher than before the addition; and an occurrence of a smaller amount of toughening in alloy fracture, an indication of a mixed fracture.

Al-Si alloys; Ce; microcosmic structure; mechanical properties; fracture analysis

2016-09-28

黑龍江省應(yīng)用技術(shù)研究與開(kāi)發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目(GC13A104)

趙繼濤(1982-)，女，黑龍江省齊齊哈爾人，講師，博士研究生，研究方向：鋁合金組織及力學(xué)性能，E-mail：70882307@qq.com。

10.3969/j.issn.2095-7262.2016.06.013

TG146.21； TG113.2

2095-7262(2016)06-0649-04

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