釔含量對Al－1%Mn變形鋁合金顯微組織和力學性能的影響

許志華，李克，姚立峰，盧敏敏

（南昌大學機電工程學院，南昌 330031）

0 引 言

Al－（1.0%～1.6%）Mn合金屬于3系變形鋁合金，冷軋后獲得的型材具有強度適中、焊接性能好、塑性高、耐腐蝕性強、延展性好等優良的綜合性能，在汽車、電子及微電子、能源等領域中的應用越來越廣泛［1］。力學、焊接、耐腐蝕性能良好的鋁－錳合金常被用于制造汽車散熱器［2］，但隨著散熱器越來越薄，對鋁－錳合金的性能提出了更高的要求。目前研究人員主要通過復合和稀土變質的方法來提高該合金的性能。采用復合的方法時，主要以鋁－錳合金做芯材、以4系和7系鋁合金做皮材，其成本較高。稀土變質是向金屬液體中加入稀土變質劑，使它在金屬液中形成大量分散的人工制造的非自發晶核，從而獲得細小的鑄造晶粒，以提高材料性能的一種方法。在合金中添加適量的稀土元素可以凈化熔體、細化組織、強化合金、提高耐腐蝕和焊接性能［3－5］，如在2519鋁合金中加入0.1%（質量分數，下同）的稀土釔后，鋁合金的硬化速率和室溫抗拉強度得到顯著提高，當釔的加入量為0.2%時，300℃的抗拉強度為205MPa，比未加稀土釔的提高了30%［6］；在鋁合金中加入適量的鈧也可以提高合金的力學性能［7－8］；混合添加稀土元素能夠提高鋁－錳和鋁－鎂－硅－鐵合金的耐腐蝕性能［9］；將鈧與鋯同時添加到鋁－鋅－鎂－銅合金中，可以提高合金的抗晶間腐蝕、剝落、應力開裂和電化學腐蝕性能［10］，但鈧的價格昂貴，不適合在民用3系鋁合金中推廣應用；吳鵬等［11］嘗試在6063合金中加入適量的稀土鉺以提高焊接接頭的力學性能，發現當鉺的質量分數低于0.4%時，接頭的力學性能隨著鉺含量的增加顯著增加，但超過0.4%時，力學性能則隨著鉺含量增加而降低。目前，在鋁－錳合金中添加單一稀土釔后的鑄態、熱軋態和冷軋態的組織及性能的研究還比較少。為此，作者制備了不同釔含量的Al－1%Mn合金鑄錠，并依次對其進行固溶、熱軋和冷軋處理，研究了釔含量對合金顯微組織、拉伸性能以及硬度的影響。

1 試樣制備與試驗方法

首先將工業純鋁在井式電爐中熔化，然后加入中間合金Al－10%Mn預配成Al－1%Mn合金母材備用。母材的熔煉溫度為720～730℃，在200℃的鋼模具中澆注；然后將鑄錠熔化加入相應量的Al－11%Y中間合金，將溫度調至740～750℃保溫30min，保溫時每10min攪拌一次，確保熔體成分均勻；然后將溫度降至720～730℃，加入0.3%的六氯乙烷，精煉10～15min，靜置3～5min后在720～725℃澆注成15mm×80mm×120mm的Al－1%Mn鑄態合金板，經檢測得到鑄態鋁合金中釔的質量分數如表1所示。

對Al－1%Mn鑄態合金進行600℃×12h固溶處理，隨后熱軋，開軋溫度為500℃，保溫時間為30min，鋁板厚度由15mm依次軋制為10mm→7mm，熱軋的總壓下率為53.3%；然后冷軋，鋁板厚度從7mm依次軋制為5mm→4mm→3mm→1mm，冷軋的總壓下率為85.7%，得到Al－1%Mn合金薄板。

表1 鑄態鋁合金中釔含量（質量分數）Tab.1 Yttrium content of as－cast alloy（mass） %

沿軋制方向截取金相試樣，用砂紙依次打磨，呢絨布拋光，用0.5%HF（質量分數）腐蝕后，采用Nikon ECLIPSE MA200型光學顯微鏡和JE0LJSM－6701F型掃描電鏡觀察鑄態、熱軋態和冷軋態試樣的顯微組織；將終軋后的Al－1%Mn合金試樣切割加工成如圖1所示的拉伸試樣，在DWD－200型微機控制電子式萬能試驗機上進行室溫拉伸試驗，拉伸速度為2mm·min－1；采用 HV－1000A型顯微硬度儀測定鑄態合金試樣的硬度。

圖1 拉伸試樣的尺寸Fig.1 Size of tensile specimen

2 試驗結果與討論

2.1 對鑄態顯微組織的影響

由圖2可見，在未添加釔的Al－1%Mn鑄態合金中，初生α－Al晶粒粗大，粒徑約為163.5μm，晶界清楚可見；添加0.07%釔后，顯微組織明顯細化，獲得了細小的等軸晶粒，晶粒分布也比較均勻；添加0.31%釔后，顯微組織的細化效果最好，初生相晶粒最細小，粒徑約為38.2μm，分布也很均勻；添加0.38%釔后，初生相晶粒又有所增大。晶粒細化的原因有：首先，釔的原子半徑較大，在初生相α－Al中的固溶度較小，合金凝固時釔聚集在固液界面前沿，引起溶質再分配，使合金產生成分過冷，促進形核和晶粒長大，但形核率大于晶粒的長大速率，所以添加釔后鑄態合金的α－Al晶粒得到細化［12］；其次，由于稀土釔是活性元素，可以降低合金液的界面張力，從而降低晶粒的形核功，減小臨界形核半徑，促進形核，細化晶粒［13］；最后，加入的稀土釔會有部分分布在α－Al晶粒的晶界上，阻止α－Al生長，從而使得晶粒細化［14］。如果加入過量的稀土釔，則其會與鋁反應形成大量高熔點的稀土化合物，減弱稀土成分的過冷作用，從而使晶粒有所粗化。

由圖3可知，在添加0.31%釔的Al－1%Mn鑄態合金的晶界上分布有層片狀的化合物，直徑約為2μm，EDS分析結果顯示，化合物主要由鋁、錳、鐵、釔元素組成，釔元素的原子分數為3.61%，由此可初步判斷該化合物相為Al2Y或AlMnY復雜相。

圖2 不同釔含量Al－1%Mn鑄態合金的顯微組織Fig.2 Microstructure of Al－1%Mn cast alloy with different yttrium contents

圖3 釔含量為0.31%的Al－1%Mn鑄態合金的SEM形貌和化合物的EDS譜Fig.3 SEM morphology（a）of Al－1%Mn as－cast alloy with yttrium of 0.31%and EDS spectrum （b）of compound

2.2 對熱軋態顯微組織的影響

圖4 不同釔含量熱軋態Al－1%Mn合金的顯微組織Fig.4 Microstructure of hot rolled Al－1%Mn alloy with different yttrium contents

從圖4可知，在未添加釔以及添加0.38%釔的合金中，大部分晶粒被拉長，并具有明顯的軋制方向性，晶粒大小不一，這表明組織變形不均勻；與未添

加釔相比，添加0.31%釔的合金組織更細小，且相對更加均勻，這可能是鑄態晶粒度大小不一以及稀土釔形成的金屬間化合物抑制晶粒長大引起的。影響組織均勻性的因素主要有：板坯橫向厚度不均勻；軋輥靠零不平，兩邊壓下量不一致；板坯在均熱時，由于爐子的均勻性不好，溫差較大，導致板坯溫度不均，一般板兩邊部的溫度會低于中間的溫度。圖4（c）中的部分晶粒沒有被拉長，可能是軋制時發生了強烈的動態再結晶的結果。

2.3 對冷軋態顯微組織的影響

圖5 不同釔含量冷軋態Al－1%Mn合金的顯微組織Fig.5 Microstructure of cold rolled Al－1%Mn alloy with different yttrium contents at low magnification（a～b）and high magnification（c～d）

由圖5可見，所有晶粒皆沿軋制方向被拉長、變細或者壓扁，在晶粒被拉長的同時，晶間夾雜物也隨著拉長，使冷軋后出現纖維狀組織。在未添加釔的合金中，纖維狀組織較粗大；在釔含量為0.31%的合金中，纖維組織更為細小和密集，這可能是微量稀土釔在初生相α－Al中形成了沿晶界分布的彌散金屬間化合物，提高了合金的再結晶溫度，從而在熱軋過程中抑制了晶粒長大。由圖5（c）和（d）可見，基體中存在大量細小的顆粒狀相，加入0.31%釔的合金中顆粒狀相更為均勻。

2.4 對力學性能的影響

由圖6可以看出，添加釔后，冷軋態Al－1%Mn合金的拉伸性能得到了不同程度的提高；當釔含量為0.31%時，合金的抗拉強度達到了313.13MPa，伸長率達到了14.8%，而未添加釔的分別為267.62MPa和8.2%。這是因為加入釔后合金中初生α－Al相得以有效細化，在同樣的體積中晶粒數量較多，每個晶粒承受的應力小，不易引起應力集中，因而強度得以提高。已有研究結果表明［12，14－16］稀土釔能夠提高鋁合金的強度和塑性。加入0.38%釔后合金拉伸性能有所下降的主要原因是，金屬釔在初生相中的固溶度小，多余的釔主要形成粗大含釔的化合物分布在晶界上，不僅失去了對晶界的釘扎作用，還會導致應力集中，使抗拉強度下降。

圖6 釔含量對冷軋態Al－1%Mn合金室溫拉伸性能的影響Fig.6 Tensile properties of cold rolled Al－1%Mn alloy with different yttrium contents

由圖7可知，所有試樣的拉伸斷口都呈現典型的細小韌窩形貌，這說明Al－1%Mn合金的韌性、延展性較好。在未添加釔的合金中，韌窩粗大，且不是很均勻；添加0.1%～0.4%釔后，韌窩變得明顯細小、密集，分布也比較均勻，可見其抗拉強度和伸長率明顯比未添加釔的好。

圖7 不同釔含量冷軋態Al－1%Mn合金的室溫拉伸斷口形貌Fig.7 Fracture morphology of cold rolled Al－1%Mn alloy with different yttrium contents

由圖8可以看出，加入釔后提高了鑄態Al－1%Mn合金的硬度；當釔含量為0.31%時，合金的硬度最大，為39.42HV，比未添加釔的（36.8HV）提高了7.1%。這是因為添加釔元素后，釔原子會置換出合金基體中的鋁原子形成置換固溶體，隨著釔原子增多晶格畸變程度增大，對合金硬度的提高有利；此外，當釔原子數量超過了其在合金基體中的固溶度后，就會彌散在基體表面起彌散強化作用，從而提高了合金的硬度。當釔含量超過0.31%時，鑄態合金的硬度又稍有下降，這是因為當釔原子在基體中彌散分布得較多時，易聚集在一起，減弱了彌散強化的作用，從而會使合金的硬度降低。

圖8 不同釔含量Al－1%Mn鑄態合金的硬度Fig.8 Vickers hardness of Al－1%Mn cast alloy with different yttrium contents

3 結 論

（1）稀土釔的添加可使Al－1%Mn合金中粗大的初生α－Al晶粒變得細小，釔含量為0.31%時的細化效果最好，α－Al晶粒尺寸從未添加釔時的163.5μm減小到38.2μm。

（2）加入釔后，冷軋態Al－1%Mn合金的拉伸性能顯著提高，當釔含量為0.31%時，合金的抗拉強度和伸長率分別從未加入釔時的267.62MPa和8.2%增至313.13MPa和14.8%。

（3）加入釔后，Al－1%Mn鑄態合金硬度均有提高，當釔含量為0.31%時，硬度由未加入釔時的36.8HV增至39.42HV。

［1］黃曉輝，左秀榮，王齊偉.Al－Mn系合金研究現狀［J］.世界有色金屬，2009（1）：38－39.

［2］李廣欽，左秀榮，宋天福，等.變形鋁錳系合金的應用現狀及發展動態［J］.熱加工工藝，2006，35（10）：63－67.

［3］雷廣孝.稀土在鋁及鋁合金中的作用和應用概況［J］.輕合金加工技術，1990（2）：5－10.

［4］楊軍軍，聶祚仁，付靜波，等.稀土在鋁合金中的作用及研究進展［J］.北京工業大學學報，2002，28（4）：500－505.

［5］周曉霞，張仁元，劉銀峁，等.稀土元素在鋁合金中的作用和應用［J］.新技術新工藝，2003（4）：43－44.

［6］LI H Z，LIANG X P，LI F F，et al.Effect of Y content on microstructure and mechanical properties of 2519aluminum alloy［J］.The Chinese Journal of Non－ferrous Metals，2007，17：1194－1198.

［7］ZENG Y C，WU C T.Effects of scandium addition on ironbearing phases and tensile properties of Al－7Si－0.6Mg alloys［J］.Materials Science ＆ Engineering：A，2014，593：103－110.

［8］DEV S，STUART A A，KUMAAR R C R D，et al.Effect of scandium additions on microstructure and mechanical properties of Al－Zn－Mg alloy welds［J］.Materials Science and Engineering：A，2007，467：132－138.

［9］管素珍，趙敏壽，唐定貌，等.稀土對鋁和鋁合金耐腐蝕性能影響的研究［J］.稀土，1987（5）：36－39.

［10］SHI Y J，PAN Q l，LI M J，et al.Effect of Sc and Zr additions on corrosion behaviour of Al－Zn－Mg－Cu alloys［J］.Journal of Alloys and Compounds，2014，612：42－50.

［11］吳鵬，劉貴仲，黃學鋒，等.稀土Er對6063鋁合金焊接接頭力學性能的影響［J］.熱加工工藝，2011，40（1）：140－142.

［12］汪長勤，趙玉濤，張松利，等.稀土釔對A356合金顯微組織和拉伸性能的影響［J］.機械工程材料，2010，34（1）：13－16.

［13］李慧中，張新明，陳明安，等.釔對2519鋁合金鑄態組織的影響［J］.中南大學學報，2005，36（4）：545－549.

［14］李敏，王宏偉，朱兆軍，等.稀土元素釔對ZL205A合金鑄態組織與性能的影響［J］.特種鑄造及有色合金，2008（專刊）：189－192.

［15］王慶良，王大慶.稀土釔對 Al－Zn－Mg－Cu合金組織及性能的影響［J］.中國礦業大學學報，1999（4）：382－385.

［16］桂全紅，蔣曉軍，馬祿銘，等.微量釔對Al－Li合金析出相和力學性能的影響［J］.金屬學報，1993（4）：165－168.