余正平，龍 瓊，王 園，盧偉虎，楊 婷，李小麗

(貴州理工學(xué)院 貴州省輕金屬材料制備技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 貴州 貴陽(yáng) 550003)

0 引言

鑄造鋁合金主要包括Al-Si、Al-Cu、Al-Mg和Al-Zn等合金體系，因其具有價(jià)格低廉、加工性能良好、成形性好、生產(chǎn)加工設(shè)備簡(jiǎn)單、生產(chǎn)周期較短等優(yōu)點(diǎn)，而廣泛用于制造汽車的各種零件[1]。但由于鑄造鋁合金的強(qiáng)度和韌性較低，生產(chǎn)過(guò)程中極易產(chǎn)生鑄造缺陷。如夾雜、氣孔、成分偏析等。難以滿足現(xiàn)代汽車高載荷、大沖擊等高性能使用需求。因此，如何制造出高強(qiáng)韌鑄造鋁合金是目前亟待解決的難題[2，3]。

目前獲得高強(qiáng)度鑄造鋁合金的主要途徑之一是合金化。合金化是指在鋁合金中添加合金元素，使合金的組織與性能發(fā)生變化。本文以鑄造鋁硅合金為研究對(duì)象，重點(diǎn)探討添加0.15%Ce元素后對(duì)Al-6Si-4Cu-0.25Mg組織和力學(xué)性能的影響。

1 實(shí)驗(yàn)過(guò)程

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

本實(shí)驗(yàn)采用高純鋁鑄錠來(lái)制備Al-6Si-4Cu-0.25Mg合金，通過(guò)添加0.15%Ce微合金元素來(lái)改善鑄態(tài)合金組織和力學(xué)性能，合金中各元素成分含量如表1所示。

表1 合金中各元素成分含量(Wt%，質(zhì)量百分?jǐn)?shù))

元素?zé)龘p率：由于Mg易燒損，所以Mg按照15%的燒損率來(lái)配料。設(shè)計(jì)鑄錠總質(zhì)量900 g。元素稱量保證質(zhì)量誤差不大于±2%。稱量的各原材料質(zhì)量如表2所示。

表2 各原材料質(zhì)量 m/(g)

1.2 工藝路線

工藝路線如圖1所示。

圖1 工藝路線圖

1.3 熔煉過(guò)程

(1)前期準(zhǔn)備

1)熔煉過(guò)程中凡是接觸熔體的鐵質(zhì)工具均刷涂氧化鋅(ZnO)涂料，并在200～250 ℃烘干不少于0.5 h。

2)石墨-碳化硅坩堝熔煉合金，坩堝內(nèi)表面刷涂氧化鋅(ZnO)涂料，并在200～250 ℃烘干不少于0.5 h。

3)澆注模具表面刷涂氧化鋅(ZnO)涂料，并在200～250 ℃烘干不少于0.5 h。

4)采用鋁箔包裹Mg，鋁箔包裹精煉劑，鋁箔包裹鍶鹽，薄片鐵板(陶瓷片)放上覆蓋劑，并放于200 ℃爐中烘干。

(2)裝料和熔煉

1)將小塊狀工業(yè)純鋁第一層鋪于熔煉坩堝底部，之后放入Al-50Cu、Al-50Si、 Al-5Zr、Al-20Ce合金，最上面放余下的純鋁塊覆蓋，熔煉加熱工藝如圖2所示。

圖2 熔煉加熱工藝圖

2)用坩堝夾將熔煉坩堝取出，進(jìn)行攪拌、扒渣；

3)放入ZS-AB2鍶鹽變質(zhì)劑；用鐘罩壓入鋁箔包裹的Mg，并攪拌均勻；在表面撒上覆蓋劑(ZS-AJ101A)；

4)繼續(xù)放入電阻爐中保溫10 min；取出并采用鐘罩將精煉劑(ZS-AJ01C)壓入鋁液中，均勻緩慢做順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，進(jìn)行精煉操作，直到無(wú)氣泡析出為止(約1 min)。

5)攪拌，除渣，澆注到模具中。

1.4 試樣制備

將冷卻好的合金切割后制成試樣，并進(jìn)行編號(hào)，試樣1(未加Ce-1)、試樣2(未加Ce-2)為不添加Ce元素的鑄造鋁合金Al-6Si-4Cu-0.25Mg，試樣3(加Ce-1)、試樣4(加Ce-2)為添加了0.15%Ce的鑄造鋁合金Al-6Si-4Cu-0.25Mg。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與對(duì)比分析

2.1 鑄態(tài)金相組織分析

將制備好的微合金化0.15%Ce鑄造鋁合金Al-6Si-4Cu-0.25Mg和不添加Ce元素Al-6Si-4Cu-0.25Mg試樣進(jìn)行金相組織分析，各試樣的鑄態(tài)金相組織圖如圖3，圖4，圖5，圖6所示，所有金相組織圖片放大倍數(shù)均為100 X。

圖3 試樣1金相組織圖

圖4 試樣2金相組織圖

圖5 試樣3金相組織圖

圖6 試樣4金相組織圖

通過(guò)對(duì)比試樣1，2，3，4的金相組織不難看出，試樣3、4為添加0.15%Ce元素的鑄造鋁合金Al-6Si-4Cu-0.25Mg相比于試樣1、2沒(méi)有添加0.15%Ce鑄造鋁合金Al-6Si-4Cu-0.25Mg，其鑄態(tài)金相組織更為細(xì)小，晶粒也較小，分析原因[4]可能是：添加微量的0.15%Ce會(huì)與合金中的Al元素發(fā)生共晶作用，產(chǎn)生了α-Al和鋁稀土化合物Al11Ce3。α-Al和Al11Ce3均成為鋁硅合金中初生相的形核核心，從而細(xì)化合金晶粒。從圖3和4可以看出，鑄態(tài)金相組織中夾雜著團(tuán)絮狀黑色的雜質(zhì)，而圖5和圖6中團(tuán)絮狀黑色的雜質(zhì)存在不明顯，因此，推測(cè)微合金化元素0.15%Ce的添加不僅僅可以細(xì)化晶粒還起到一定的凈化除雜的作用。

2.2 平均晶粒度尺寸計(jì)算

利用弦長(zhǎng)計(jì)算法來(lái)確定弦的平均長(zhǎng)度，然后參考晶粒度級(jí)別標(biāo)準(zhǔn)確定晶粒度級(jí)別。先選擇待測(cè)試樣有代表性的部位，在顯微鏡下直接測(cè)定，放大倍數(shù)為100 X。用帶有標(biāo)尺或線段的目鏡，數(shù)出所截的晶?？倲?shù)。表3為各試樣所截晶?？倲?shù)。

表3 各試樣所截晶?？倲?shù)(個(gè))

線段頂部或尾部未被完全截的晶粒，應(yīng)以一個(gè)晶粒計(jì)之，按照下面的公式計(jì)算平均晶粒度弦的平均長(zhǎng)度。

式中 d——弦的平均長(zhǎng)度；mm

n——線段條數(shù)，一般為三條；

L——每條線段條數(shù)；mm

μ——所截晶?？倲?shù)；

M——放大倍數(shù)。

通過(guò)將表3的數(shù)據(jù)代入上面的弦的平均長(zhǎng)度公式后，求得各個(gè)試樣弦的平均長(zhǎng)度如表4所示。

表4 各試樣的平均弦長(zhǎng)(μm)

將表4中數(shù)據(jù)參考材料科學(xué)與工程實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書李維娟[5]可以得出結(jié)論，添加微合金元素0.15%Ce后可提高鑄造合金Al-6Si-4Cu-0.25Mg約半個(gè)級(jí)別晶粒度。

2.3 顯微硬度的對(duì)比分析

將試樣表面磨光并輕微腐蝕之后制成硬度測(cè)試，為了保證實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，硬度值取試樣的11點(diǎn)，測(cè)得的硬度值如表5所示。

表5 每次實(shí)驗(yàn)所測(cè)得的硬度值(HV)

分別將每個(gè)試樣測(cè)得的最大值和最小值求極差后去掉，并求出每組試樣的硬度平均值，如表6所示。

表6 試樣平均值及極差值(HV)

將計(jì)算得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和整理，以試樣編號(hào)為橫坐標(biāo)，維氏硬度值為縱坐標(biāo)作圖，如圖7所示。

通過(guò)對(duì)圖7的分析可以得到，在鑄造合金Al-6Si-4Cu-0.25Mg中添加微合金化元素0.15%Ce可以顯著提高鑄造合金Al-6Si-4Cu-0.25Mg的硬度。

圖7 各試樣硬度值

3 結(jié)語(yǔ)

(1)加微合金元素含量為0.15%Ce可提高鑄造合Al-6Si-4Cu-0.25Mg約半個(gè)級(jí)別晶粒度。(2)添加微量的0.15%Ce會(huì)與合金中的Al元素發(fā)生共晶作用，產(chǎn)生了α-Al和鋁稀土化合物Al11Ce3。α-Al和Al11Ce3均成為鋁硅合金中初生相的形核核心，從而細(xì)化合金晶粒，提高硬度。(3)微合金化元素0.15%Ce的添加不僅僅可以細(xì)化晶粒也可以起到一定的凈化除雜的作用。