稀土Er對汽車輪轂用A356鋁合金組織與性能的影響

張麗鳳 王社則 田博彤

(1.山西交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院，山西 太原 030031； 2.太原理工大學(xué)，山西 太原 030024)

鑄造Al- Si合金由于具有比強(qiáng)度高、耐腐蝕性良好和鑄件成本低等特點，而被廣泛應(yīng)用于汽車和航空航天等領(lǐng)域。尤其是近年來隨著對節(jié)能減排和汽車輕量化的要求越來越高，占鑄造鋁合金使用量80%、具有減重節(jié)能特性的A356鋁合金的開發(fā)與應(yīng)用得到了普遍的關(guān)注。雖然A356鋁合金的液態(tài)流動性好，但其在熔融狀態(tài)和凝固收縮過程中容易產(chǎn)生空隙和非金屬夾雜物等缺陷，造成A356鋁合金鑄件的力學(xué)性能降低，因此有必要對A356鋁合金進(jìn)行變質(zhì)處理以改善合金的組織、提高使用性能[1]。目前的研究熱點多集中在采用Na、Sr、Sb、Te、P以及稀土La、Ce和Y等元素的變質(zhì)處理上[2]，雖然不同微合金化元素在A356鋁合金中都有一定的積極作用，但是提高的幅度有限，且還會帶來一定的副作用以及存在價格昂貴等問題。研究發(fā)現(xiàn)[3- 6]，廉價稀土Er元素在變形鋁合金和鎂合金中有一系列的積極作用，但其在鑄造鋁合金中的變質(zhì)效果的研究相對較少，其作用機(jī)制也不清楚。因此，本文選取汽車輪轂用A356鋁合金為研究對象，考察了稀土Er元素對鑄造A356鋁合金顯微組織和力學(xué)性能的影響，結(jié)果有助于稀土Er在鑄造鋁合金中的應(yīng)用以及提升A356鋁合金的綜合性能。

1 試驗材料與方法

以鑄造A356鋁合金和Al- 6.1Er(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%，下同)中間合金為原料，采用坩堝電阻熔煉的方法制備了不同Er含量的A356+Er合金鑄錠，其化學(xué)成分如表1所示。

表1 試驗合金的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))Table 1 Chemical compositions of the experimental alloys (mass fraction) %

將坩堝預(yù)熱至525 ℃后放入工業(yè)鑄造A356鋁合金鑄錠，升溫至790 ℃待合金完全熔化后，采用鐘罩將Al- 6.1Er中間合金壓入合金熔液中，攪拌均勻后靜置15 min，待熔體降溫至725 ℃時加入除氣除渣劑進(jìn)行精煉和除氣，扒渣后靜置5 min，澆鑄至水冷銅模。

采用METTLERDSC822示差掃描量熱分析儀對合金試樣進(jìn)行差熱分析，溫度范圍為25～700 ℃，升溫和降溫速率都設(shè)定為8 ℃/min，氮氣保護(hù)。采用CubiX3 X射線衍射儀對試樣進(jìn)行物相分析，Cu靶Kα輻射，掃描速度為3 (°)/min。從鑄錠同一部位截取金相試樣，水砂紙打磨和金剛石研磨膏拋光，采用4%(體積分?jǐn)?shù))HF溶液腐蝕后清洗吹干，然后在奧林巴斯IX83光學(xué)顯微鏡和S- 3400掃描電子顯微鏡上觀察顯微組織。參照GB/T 228.1—2010金屬材料 拉伸試驗 第1部分:室溫試驗方法，在CMT- 5105液壓萬能拉伸試驗機(jī)上進(jìn)行室溫拉伸試驗，拉伸速率為1.5 mm/min，取3根試樣的平均值。使用HVS- 1000型數(shù)顯維氏硬度計測量硬度，試驗力為1.96 N，保載時間為10 s。

2 試驗結(jié)果

2.1 顯微組織

不同Er添加量A356鋁合金的顯微組織如圖1所示。可見，不同Er含量A356鋁合金的組織都由初生α- Al相和共晶硅組成，其中白色或灰色區(qū)域為初生α- Al相，黑色區(qū)域為共晶硅相。對于未添加Er的A356鋁合金，α- Al相呈粗大的枝晶狀，晶粒較大、不均勻；加入0.2%～0.7%(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同)Er后，A356鋁合金的晶粒明顯細(xì)化，且α- Al相也得到不同程度的細(xì)化，形貌也從粗大枝晶狀轉(zhuǎn)變成細(xì)小枝晶狀，二次枝晶間距減小，分布更加均勻。當(dāng)Er的添加量從0.2%增加至0.4%時，α- Al晶粒細(xì)化效果顯著。但當(dāng)Er的添加量超過0.4%時，不會顯著細(xì)化合金晶粒。

圖1 不同Er添加量A356鋁合金的顯微組織Fig.1 Microstructures of the A356 aluminum alloys with different Er contents

圖2為不同Er含量A356鋁合金的二次枝晶間距統(tǒng)計結(jié)果。對于未添加Er的A356鋁合金，其二次枝晶間距(secondary dendrite arm spacing,SDAS)約為53.7 μm。添加不同量的Er后，A356鋁合金的二次枝晶間距明顯減小，且當(dāng)Er的添加量從0.2%增加至0.4%時，二次枝晶間距減小較為明顯，Er的添加量為0.4%時二次枝晶間距僅為17.6 μm。當(dāng)Er的添加量超過0.4%時，二次枝晶間距基本不變。

圖2 Er含量對A356鋁合金二次枝晶間距的影響Fig.2 Effect of Er content on the secondary dendrite arm spacing in the A356 aluminum alloy

不同Er添加量A356鋁合金中共晶硅的形貌如圖3所示。對于未添加Er的A356鋁合金，其共晶硅呈不規(guī)則狀且較粗大，分布不均；A356鋁合金中添加不同量的Er后，其共晶硅形貌發(fā)生了顯著變化，從未添加Er時的條狀或塊狀轉(zhuǎn)變成短棒或顆粒狀。此外，添加Er后共晶硅也明顯細(xì)化，未添加Er的A356鋁合金中共晶硅的平均尺寸約為23.8 μm，添加不同量Er的A356鋁合金中共晶硅的平均尺寸均減小至14 μm以下；當(dāng)Er的添加量超過0.5%時，A356鋁合金中還出現(xiàn)了部分針狀析出相，其微觀形貌和能譜分析結(jié)果如圖4所示，可見這種針狀析出相為Al3Er相。

對不同Er添加量A356鋁合金中共晶硅的寬徑比進(jìn)行統(tǒng)計分析，結(jié)果如圖5所示。未添加Er的A356鋁合金中共晶硅的寬徑比約為5.47；添加不同Er含量的A356鋁合金中共晶硅的寬徑比呈現(xiàn)先減小而后增加的規(guī)律，在Er的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.4%時達(dá)到最小值，約為1.25。可見，添加Er后，A356鋁合金中共晶硅均得到了不同程度的細(xì)化，在Er的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.4%時其寬徑比最小，顆粒圓整度最高。

2.2 力學(xué)性能

對不同Er添加量的A356鋁合金進(jìn)行常溫拉伸性能測試，結(jié)果如圖6所示。對于未添加Er的A356鋁合金，其抗拉強(qiáng)度和斷后伸長率分別為147 MPa和4.8%；添加不同量Er后，A356鋁合金的抗拉強(qiáng)度和斷后伸長率均升高，且隨著Er含量的增加，抗拉強(qiáng)度和斷后伸長率都表現(xiàn)為先升高而后降低的趨勢，在Er的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.4%時達(dá)到最大值。這主要是因為當(dāng)Er的質(zhì)量分?jǐn)?shù)超過0.4%后，α- Al晶粒粗化，共晶硅的寬徑比增大，從而導(dǎo)致合金的力學(xué)性能降低[7]。

圖3 不同Er添加量A356鋁合金中共晶硅的形貌Fig.3 Morphologies of eutectic silicon in the A356 alumnium alloys with different Er contents

圖4 添加0.5%Er的A356鋁合金中針狀相的形貌和能譜分析Fig.4 Morphology and energy spectrum analysis of needle- like phase in the A356 alumnium alloy with 0.5% Er

圖5 不同Er添加量A356鋁合金中共晶硅的寬徑比Fig.5 Width to diameter ratio of eutectic silicon in the A356 aluminum alloys with different Er contents

圖6 不同Er添加量A356鋁合金的常溫拉伸性能Fig.6 Tensile properties of the A356 aluminum alloys with different Er conlents at room temperature

A356鋁合金的維氏硬度如圖7所示。可見，添加Er的A356鋁合金的硬度都高于未添加Er的A356鋁合金的；隨著Er含量的增加，A356鋁合金的維氏硬度呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢，在Er的添加量為0.4%時達(dá)到最大值。

圖7 不同Er添加量A356鋁合金的維氏硬度Fig.7 Vivtorinox hardness of the A356 aluminum alloys with different Er contents

3 分析與討論

對未添加Er和添加0.4%Er的A356鋁合金進(jìn)行X射線衍射分析，結(jié)果如圖8所示。可見，未添加Er的A356鋁合金的主要物相為α- Al相和Si相；添加0.4%Er后，除α- Al相和Si相外，還出現(xiàn)了Al3Er相的衍射峰，表明Er元素添加到合金中后并不完全以固溶形式存在于基體中[8]。

對未添加Er和添加0.4%Er的A356鋁合金進(jìn)行差示掃描量熱法降溫曲線測試，結(jié)果如圖9所示。對比分析可見，A356鋁合金的共晶硅形核溫度(位置C處)從未添加Er時的570.3 ℃降低至添加0.4%Er時的566.4 ℃，說明添加0.4%Er有助于降低共晶硅的形核溫度，從而抑制共晶硅的粗化，增強(qiáng)共晶硅相的變質(zhì)效果[9]；當(dāng)溫度升高至位置B處時合金發(fā)生吸熱反應(yīng)，α- Al相的形核溫度從未添加Er時的625.0 ℃降低至添加0.4%Er時的620.7 ℃，可見Er元素的添加有助于抑制α- Al相的形核；繼續(xù)升高溫度至A位置處時，未添加Er的A356鋁合金的DSC曲線較為平緩，而添加0.4%Er的A356鋁合金的DSC曲線在溫度為651.8 ℃時發(fā)生了共晶反應(yīng)(L→α- Al+Al3Er[10])，形成Al3Er相，這與圖6的XRD圖譜相吻合，且共晶反應(yīng)形成的α- Al相可以作為合金初生相的形核核心，從而細(xì)化晶粒和二次枝晶[11]。

圖8 未添加Er和添加0.4%Er的A356鋁合金的XRD圖譜Fig.8 XRD patterns of the A356 aluminum alloys without Er and with 0.4% Er

圖9 未添加Er和添加0.4%Er的A356鋁合金的DSC降溫曲線Fig.9 DSC cooling curves of the A356 aluminum alloys without Er and with 0.4% Er

在A356鋁合金中添加稀土Er元素，其一部分會固溶于α- Al基體中起到固溶強(qiáng)化作用，另一部分會以細(xì)小Al3Er相的形式析出而起到彌散強(qiáng)化的作用[12]；當(dāng)合金中Er的質(zhì)量分?jǐn)?shù)超過0.4%時，Al3Er初生相在晶內(nèi)和晶界偏聚，造成晶界弱化，合金的力學(xué)性能降低。在A356鋁合金中加入Er，合金的晶粒細(xì)化效果較為顯著，二次枝晶間距減小，且粗大的共晶硅相逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)榧?xì)小顆粒狀，共晶硅的寬徑比在Er的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.4%時最小，顆粒狀共晶硅相的存在可以減小粗大不規(guī)則共晶硅相對基體的割裂作用，提高合金的強(qiáng)塑性[13]。綜合而言，在A356鋁合金中添加一定量的Er，可以起到細(xì)化晶粒、凈化、改善共晶硅形態(tài)、固溶強(qiáng)化和彌散強(qiáng)化的作用，適宜的Er元素添加量為0.4%，此時A356鋁合金具有最佳的綜合力學(xué)性能。

4 結(jié)論

(1)不同Er含量A356鋁合金的組織都由初生α- Al相和共晶硅組成；未添加Er的A356鋁合金中α- Al相呈粗大枝晶狀，晶粒較粗大、不均勻；加入0.2%～0.7%的Er后，A356鋁合金的晶粒明顯細(xì)化，且α- Al相尺寸和二次枝晶間距減小，且當(dāng)Er的添加量從0.2%升高至0.4%時，二次枝晶間距減小較為明顯；當(dāng)Er的添加量超過0.4%時，二次枝晶間距基本不變。

(2)未添加Er的A356鋁合金中共晶硅呈粗大條狀或塊狀，平均尺寸約為23.8 μm，共晶硅的寬徑比約為5.47；Er改性后的A356鋁合金中共晶硅主要呈短棒或顆粒狀，其平均尺寸減小至14 μm以下，當(dāng)Er的添加量超過0.5%時，A356鋁合金中還出現(xiàn)了部分針狀A(yù)l3Er相。共晶硅的寬徑比隨著Er含量的增加呈現(xiàn)先減小后增大的規(guī)律，在Er的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.4%時達(dá)到最小值。

(3)添加不同量的Er后，A356鋁合金的抗拉強(qiáng)度、斷后伸長率和硬度都有不同程度的提高，且隨著Er含量的增加，合金的抗拉強(qiáng)度、斷后伸長率和硬度都表現(xiàn)為先升高后降低的趨勢，并在Er的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.4%時達(dá)到最大值。