李應(yīng)新，陸雨晨，梁霄鵬，鄒思敏，李慧中

（1.株洲瑞德?tīng)栔悄苎b備有限公司，湖南 株洲 412000；2.中南大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410083）

Al-Si鑄造合金由于具有良好的鑄造性能和力學(xué)性能，且成本低廉和工藝簡(jiǎn)單，被廣泛用于通訊基站的散熱殼體、大功率LED燈、汽車(chē)零部件和電子封裝材料等領(lǐng)域［1，2］。亞共晶Al-Si鑄造合金內(nèi)部的α-Al枝晶、共晶硅的形態(tài)、晶粒尺寸和二次枝晶間距（SDAS）等組織形貌都對(duì)合金的力學(xué)性能有著至關(guān)重要的影響［3］。近年來(lái)，人們通過(guò)改進(jìn)鑄造工藝，使用細(xì)化劑，添加變質(zhì)劑和加入其它合金元素等方式優(yōu)化Al-Si鑄造合金的組織，以提升合金的綜合性能。

向Al-Si鑄造合金中加入Mg和Cu，熱處理后產(chǎn)生細(xì)小的β-Mg2Si、θ-Al2Cu和Q-Al5Cu2Mg8Si6等相提高合金的力學(xué)性能［4］。鑄錠中常見(jiàn)的有害元素Fe，被認(rèn)為通過(guò)形成富鐵的脆性相，尤其是針狀β-Al5FeSi，增加合金凝固時(shí)的孔隙等缺陷，降低合金的力學(xué)性能［5］。Al-Si鑄造合金一般會(huì)添加Sr、Na和稀土元素La、Sc與Eu等作為變質(zhì)劑，使粗大的針片狀共晶硅轉(zhuǎn)變?yōu)槎汤w維狀，減少硅粒子的尖端應(yīng)力集中，增加合金的力學(xué)性能［6］。Jung B I等人［7］研究表明，添加超過(guò)50μg/g Sr對(duì)共晶Si有較好的改性效果，但α-Al相的平均尺寸隨著Sr添加量的增加而增大。Hengcheng Liao和Guoxiong Sun［8］發(fā)現(xiàn)在Al-Si合金中，超出一定限度的Sr和B相互發(fā)生反應(yīng)，降低兩者的作用。除此之外，Sr還會(huì)增加合金的氣孔數(shù)量和孔隙度，從而降低了合金的力學(xué)性能［9］。

相比于粗大的柱狀α-Al枝晶，細(xì)小等軸的α-Al枝晶使合金具有均勻和優(yōu)良的力學(xué)性能，便于進(jìn)一步的加工［10，11］。在熔煉時(shí)加入晶粒細(xì)化劑，特別是Al-Ti-B和Al-Ti-C三元中間合金，對(duì)鋁合金的晶粒進(jìn)行細(xì)化，已經(jīng)成為一種在工業(yè)生產(chǎn)中很常見(jiàn)的現(xiàn)象。在熔體中添加細(xì)化劑，可以改善鑄造過(guò)程熔體的流動(dòng)性，有助于改善充型和補(bǔ)縮，減少鑄造產(chǎn)品的缺陷，對(duì)合金的力學(xué)性能有著顯著的提升。相比于Al-Ti-B細(xì)化劑中的TiB2細(xì)化相，Al-Ti-C細(xì)化劑中的細(xì)化相TiC顆粒更小，不易發(fā)生團(tuán)聚和與其它元素發(fā)生中毒［12］。

在Al-Si合金中同時(shí)添加細(xì)化劑和變質(zhì)劑的聯(lián)合效果逐漸引起研究人員的關(guān)注，研究人員希望通過(guò)這種方式對(duì)α-Al枝晶和共晶硅進(jìn)行細(xì)化與改性。目前大多數(shù)的研究集中在細(xì)化劑和變質(zhì)劑對(duì)合金組織的影響機(jī)理，而熱處理和不同種類(lèi)的細(xì)化變質(zhì)劑對(duì)合金組織影響的研究相對(duì)較少。本文研究了含Ti細(xì)化劑Al-Ti、Al-Ti-B、Al-Ti-C對(duì)含Sr的Al-8Si-0.6Mg-0.1Cu合金組織和力學(xué)性能的影響。

1 試驗(yàn)材料和方法

1.1 材料制備

Al-8Si-0.6Mg-0.1Cu合金以工業(yè)純鋁（＞99.7%）、工業(yè)純鎂（＞99.9%）、Al-20%Si中間合金、Al-50%Cu中間合金、商業(yè)晶粒細(xì)化劑Al-10Ti、Al-5Ti-1B和Al-5Ti-0.2C及變質(zhì)劑Al-10Sr為原料制備。四組種合金的名義成分見(jiàn)表1，其中合金1未添加鈦系細(xì)化劑，合金2加入了Al-Ti細(xì)化劑，合金3加入了Al-Ti-B細(xì)化劑，合金4加入了Al-Ti-C細(xì)化劑，三種加入細(xì)化劑的合金加入細(xì)化劑的含量均為0.2%。熔煉試驗(yàn)在坩堝電阻爐中完成，具體過(guò)程為：首先在爐中放入配置好的工業(yè)純鋁及Al-20%Si中間合金，并加入覆蓋劑；將坩堝電阻爐升溫至800℃并保溫，直至原料完全熔化。溫度降至7 5 0℃后加入工業(yè)純鎂、中間合金Al-50%Cu、含鈦細(xì)化劑及變質(zhì)劑Al-10Sr，經(jīng)除氣除渣后將熔體于700℃澆注到經(jīng)預(yù)熱后的200℃鐵模中，獲得四組合金錠。

表1 四組合金的名義成分 %

1.2 顯微組織表征和性能測(cè)試

鑄態(tài)樣品經(jīng)400#、800#、1 200#和2 000#砂紙打磨后，依次使用W1.5和W0.5金剛石拋光膏拋光后，用Keller試劑腐蝕10～15 s，采用4XC-Ⅱ金相顯微鏡及Sirion 200場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡觀察微觀組織結(jié)構(gòu)。為評(píng)估晶粒細(xì)化效果，采用20%NaOH腐蝕樣品5 min以觀察宏觀晶粒大小，并采用HP Laser Jet M1005 MFP激光掃描儀進(jìn)行拍攝。通過(guò)Image Pro-Plus對(duì)金相照片的二次枝晶間距和宏觀晶粒大小進(jìn)行測(cè)量，并對(duì)掃描電鏡照片的鑄態(tài)及熱處理后硅顆粒形貌進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。對(duì)鑄態(tài)下的樣品進(jìn)行熱處理，以提高金屬的性能。合金的T6熱處理制度為：520℃/4 h（固溶）+180℃/7 h（人工時(shí)效），固溶和時(shí)效結(jié)束后均采用冷水淬火冷卻。各組樣品的室溫力學(xué)性能測(cè)試在MTS-810材料試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，拉伸速率為1 mm/min。采用Sirion 200場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡對(duì)拉伸斷口進(jìn)行觀察。

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 Ti系細(xì)化劑對(duì)Al-Si-Mg合金組織的影響

四組合金的鑄態(tài)金相組織如圖1所示，由圖1可見(jiàn)，合金主要由初生的白色α-Al枝晶和不同形貌的黑色共晶硅組成。為了解細(xì)化劑對(duì)α-Al二次枝晶間距的影響，利用Image Pro-Plus對(duì)二次枝晶間距進(jìn)行測(cè)量，測(cè)量結(jié)果如圖2所示。合金1的二次枝晶間距為19.68μm，而合金2、合金3和合金4的二次枝晶間距分別為16.26μm、16.5μm和16.38 μm，較未細(xì)化的合金1分別減小了17.3%、16.1%和16.8%。在加入變質(zhì)劑后進(jìn)一步加入細(xì)化劑，會(huì)縮小合金的二次枝晶間距，且三種細(xì)化劑對(duì)變質(zhì)后的合金二次枝晶間距減小程度接近。

圖1 四組合金的鑄態(tài)金相組織

圖2 四組合金的二次枝晶間距

四組合金的鑄態(tài)晶粒尺寸及宏觀金相統(tǒng)計(jì)圖如圖3所示。合金1的鑄錠表面邊緣存在部分柱狀晶，而中心處則存在不均勻的粗大晶粒，晶粒的平均尺寸約為1 135.2μm。加入細(xì)化劑后的合金晶粒由柱狀枝晶轉(zhuǎn)變?yōu)榧?xì)小的等軸晶，晶粒尺寸減小，分別為267.1μm、208.9μm和220.7μm。Ti系細(xì)化劑表現(xiàn)出優(yōu)異的細(xì)化效果，其中Al-5Ti-1B細(xì)化效果最為顯著。

圖3 四組合金的鑄態(tài)宏觀金相及晶粒尺寸統(tǒng)計(jì)

表2為4種合金在鑄態(tài)下硅顆粒的形貌特征。從表2可知，合金3相比于其它合金中的針片狀的共晶硅，粒子面積和長(zhǎng)度更大，而且縱橫比和圓度也更差。鑄態(tài)下，添加Al-Ti細(xì)化劑的合金2對(duì)硅顆粒的形狀略有影響。經(jīng)過(guò)Al-Ti-C細(xì)化劑和Sr元素的復(fù)合添加后的合金4，硅顆粒的形貌特征相比于只添加Sr的合金1均有不同程度的改善。

表2 鑄態(tài)合金中硅顆粒的形貌特征

2.2 T6熱處理對(duì)Al-Si-Mg合金組織的影響

熱處理后合金的宏觀金相及晶粒尺寸如圖4所示。對(duì)比圖4中鑄態(tài)的晶粒尺寸，熱處理后，四種合金的晶粒發(fā)生顯著長(zhǎng)大。四種合金晶粒尺寸分別為1 287.4μm、441μm、329.4μm和351.3μm。

圖4 四組合金的T6態(tài)宏觀金相及晶粒尺寸統(tǒng)計(jì)

為了探究熱處理前后共晶硅形貌的變化，使用Image Pro Plus對(duì)熱處理后四組合金SEM照片進(jìn)行分析統(tǒng)計(jì)，數(shù)據(jù)見(jiàn)表3。經(jīng)過(guò)T6熱處理后，四種合金經(jīng)熱處理后的硅顆粒發(fā)生球化，縱橫比和圓度得到提高。與此同時(shí)，共晶硅發(fā)生粗化，單個(gè)粒子的面積變大。

表3 T6態(tài)合金中硅顆粒的形貌特征

2.3 Ti系細(xì)化劑及T6熱處理對(duì)Al-Si-Mg合金力學(xué)性能的影響

四種合金的鑄態(tài)力學(xué)性能如圖5所示。合金1的抗拉強(qiáng)度為191 MPa，延伸率為7.5%。

圖5 四組合金的鑄態(tài)力學(xué)性能

添加Al-Ti和Al-Ti-C細(xì)化劑后，合金的抗拉強(qiáng)度分別增加到207 MPa和220 MPa，延伸率分別增加到7.1%和9.3%。但添加Al-Ti-B后，合金抗拉強(qiáng)度和伸長(zhǎng)率顯著下降，分別為183 MPa和5.8%。晶粒細(xì)化后對(duì)合金的強(qiáng)度和塑性均有不同程度的提高，但硼元素導(dǎo)致變質(zhì)劑Sr被毒化，共晶Si呈現(xiàn)出粗大的板條狀；而共晶硅的形貌對(duì)合金的力學(xué)性能有較大的影響，粗大且板片狀的Si粒子在拉伸過(guò)程中極易在邊角處由于應(yīng)力集中產(chǎn)生微裂紋，使得材料提前失效斷裂，顯著降低了合金的力學(xué)性能。鑄態(tài)下，添加Al-Ti-C細(xì)化劑的合金4實(shí)現(xiàn)了最高的強(qiáng)度與塑性，力學(xué)性能最優(yōu)。

熱處理后四種合金的力學(xué)性能如圖6所示。經(jīng)過(guò)T6熱處理后，未加入細(xì)化劑的合金1，抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度分別達(dá)到250 MPa和225 MPa。添加細(xì)化劑的合金2，抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度分別增加到270 MPa和239 MPa。合金3的抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度為269 MP和237 MPa。合金4相比于合金1的力學(xué)性能有顯著的提高，抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度分別增加至285 MPa和250 MPa。除此之外，加入細(xì)化劑的合金延伸率也從4.7%（合金1）增加至5.0%（合金2）、4.8%（合金3）和5.5%（合金4）。熱處理后，Si粒子形貌得到顯著改善，降低了微裂紋萌發(fā)的可能，使得B與Sr的毒化作用被抵消，因此T6態(tài)的合金3力學(xué)性能較鑄態(tài)明顯提升。綜上所述，T6熱處理后，合金4的力學(xué)性能與其他合金相比最為優(yōu)良。

圖6 四組合金的T6態(tài)力學(xué)性能

T6態(tài)樣品拉伸斷口的二次電子圖像如圖7所示。如圖7（a）所示，合金1的T6態(tài)拉伸斷口分布著解離面和撕裂棱，還能觀察到不同尺寸的韌窩，推測(cè)斷裂為韌性斷裂和脆性斷裂的混合斷裂。合金2及合金4的斷口幾乎全由細(xì)小的等軸韌窩組成，顯示出合金良好的塑性。合金4中的韌窩更加深而密，導(dǎo)致其抗拉強(qiáng)度與延伸率較高。由于合金3中存在粗大的Si顆粒，合金3的斷口中存在大量撕裂棱及非規(guī)則性韌窩。在四種合金的拉伸斷口中均可以看到枝晶間微小的裂紋，合金中的金屬間化合物常常作為應(yīng)力集中處，在拉伸過(guò)程中產(chǎn)生微小的裂紋。

圖7 四組合金的T6態(tài)拉伸試樣斷口

3 結(jié) 論

1.Ti系細(xì)化劑可以顯著細(xì)化晶粒尺寸，Al-Ti-B細(xì)化效果最佳。Al-Ti和Al-Ti-C細(xì)化劑對(duì)共晶硅的形貌尺寸具有一定的改善作用，而Al-Ti-B細(xì)化劑會(huì)毒化變質(zhì)劑Sr，使得Si顆粒粗大且呈板片狀。

2.T6熱處理后，晶粒明顯長(zhǎng)大，共晶硅發(fā)生球化及粗化，共晶Si形貌得到顯著改善。

3.鑄態(tài)及T6態(tài)下，添加Al-Ti-C合金均表現(xiàn)出最佳的力學(xué)性能，T6態(tài)下的抗拉強(qiáng)度達(dá)285 MPa，屈服強(qiáng)度達(dá)250 MPa，延伸率達(dá)到了5.5%?？估瓘?qiáng)度比未添加細(xì)化劑與添加Al-Ti和Al-Ti-B的合金分別提高了14%、5.6%和5.9%。