0.15%Ce微合金化對Al-6Si-4Cu-0.25Mg合金組織和力學性能的影響

余正平，龍 瓊，王 園，盧偉虎，楊 婷，李小麗

(貴州理工學院 貴州省輕金屬材料制備技術重點實驗室 貴州 貴陽 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，因其具有價格低廉、加工性能良好、成形性好、生產加工設備簡單、生產周期較短等優點，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度和韌性較低，生產過程中極易產生鑄造缺陷。如夾雜、氣孔、成分偏析等。難以滿足現代汽車高載荷、大沖擊等高性能使用需求。因此，如何制造出高強韌鑄造鋁合金是目前亟待解決的難題[2，3]。

目前獲得高強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生變化。本文以鑄造鋁硅合金為研究對象，重點探討添加0.15%Ce元素后對Al-6Si-4Cu-0.25Mg組織和力學性能的影響。

1 實驗過程

1.1 實驗材料

本實驗采用高純鋁鑄錠來制備Al-6Si-4Cu-0.25Mg合金，通過添加0.15%Ce微合金元素來改善鑄態合金組織和力學性能，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%，質量百分數)

元素燒損率：由于Mg易燒損，所以Mg按照15%的燒損率來配料。設計鑄錠總質量900 g。元素稱量保證質量誤差不大于±2%。稱量的各原材料質量如表2所示。

表2 各原材料質量 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 熔煉過程

(1)前期準備

1)熔煉過程中凡是接觸熔體的鐵質工具均刷涂氧化鋅(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，進行攪拌、扒渣；

3)放入ZS-AB2鍶鹽變質劑；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，均勻緩慢做順時針轉動，進行精煉操作，直到無氣泡析出為止(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，并進行編號，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 實驗結果與對比分析

2.1 鑄態金相組織分析

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試樣進行金相組織分析，各試樣的鑄態金相組織圖如圖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

通過對比試樣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沒有添加0.15%Ce鑄造鋁合金Al-6Si-4Cu-0.25Mg，其鑄態金相組織更為細小，晶粒也較小，分析原因[4]可能是：添加微量的0.15%Ce會與合金中的Al元素發生共晶作用，產生了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，從而細化合金晶粒。從圖3和4可以看出，鑄態金相組織中夾雜著團絮狀黑色的雜質，而圖5和圖6中團絮狀黑色的雜質存在不明顯，因此，推測微合金化元素0.15%Ce的添加不僅僅可以細化晶粒還起到一定的凈化除雜的作用。

2.2 平均晶粒度尺寸計算

利用弦長計算法來確定弦的平均長度，然后參考晶粒度級別標準確定晶粒度級別。先選擇待測試樣有代表性的部位，在顯微鏡下直接測定，放大倍數為100 X。用帶有標尺或線段的目鏡，數出所截的晶粒總數。表3為各試樣所截晶粒總數。

表3 各試樣所截晶粒總數(個)

線段頂部或尾部未被完全截的晶粒，應以一個晶粒計之，按照下面的公式計算平均晶粒度弦的平均長度。

式中 d——弦的平均長度；mm

n——線段條數，一般為三條；

L——每條線段條數；mm

μ——所截晶粒總數；

M——放大倍數。

通過將表3的數據代入上面的弦的平均長度公式后，求得各個試樣弦的平均長度如表4所示。

表4 各試樣的平均弦長(μm)

將表4中數據參考材料科學與工程實驗指導書李維娟[5]可以得出結論，添加微合金元素0.15%Ce后可提高鑄造合金Al-6Si-4Cu-0.25Mg約半個級別晶粒度。

2.3 顯微硬度的對比分析

將試樣表面磨光并輕微腐蝕之后制成硬度測試，為了保證實驗數據的準確性，硬度值取試樣的11點，測得的硬度值如表5所示。

表5 每次實驗所測得的硬度值(HV)

分別將每個試樣測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)

將計算得到的數據進行分析和整理，以試樣編號為橫坐標，維氏硬度值為縱坐標作圖，如圖7所示。

通過對圖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 結語

(1)加微合金元素含量為0.15%Ce可提高鑄造合Al-6Si-4Cu-0.25Mg約半個級別晶粒度。(2)添加微量的0.15%Ce會與合金中的Al元素發生共晶作用，產生了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化晶粒也可以起到一定的凈化除雜的作用。