微量鋯對AlSn6Cu合金組織和力學性能的影響

2022-08-07 01:14:28孫紹波韓新占

機械工程材料 2022年7期

翟雍，趙俊，孫紹波，韓新占

(上海漣屹軸承科技有限公司，上海 201100)

0 引言

鋁錫軸瓦合金具有良好的順應性、抗咬合性能和耐蝕性，并且其價格便宜，密度較小，符合現代發動機小型化、輕量化的發展方向，在發動機上作為軸瓦材料得到一定應用。然而，鋁錫軸瓦合金的強度和承載能力較低，只能應用于低載荷場合，這嚴重限制了鋁錫軸瓦合金的應用。此外發動機技術的發展也對發動機軸瓦提出了更高強度和承載能力的要求[1-3]。因此，有必要開發性能更加優異的鋁錫軸瓦合金。

AlSn6Cu合金是一種鋁基低錫合金材料，鑄造合金的晶粒一般為粗大的柱狀晶，合金的性能可通過晶粒細化得到改善。目前，已有使用磁控濺射法通過快速凝固細化晶粒的研究報道[4]，但磁控濺射法對設備要求高，生產效率低。通過添加微量合金元素細化晶粒的方法則更簡單且高效。研究發現：單獨添加鋯、鈧元素可在合金中形成Al3Zr[5-7]、Al3Sc[8-9]，聯合添加鋯、鈧元素則可以形成Al3(Zr，Sc)[10-12]，這些化合物顆粒與α-Al具有較低的錯配度，在凝固過程中可以作為強有效的異質形核核心，起到細化晶粒的效果；微量釔和鋯元素的聯合添加可以使初生的α-Al晶粒變得圓整細小，二次枝晶間距減小，從而提高強度[13]。目前，在AlSn6Cu合金中添加微量合金元素的研究大多集中在熱處理態材料上[14-20]，有關微量合金元素對鑄態材料組織和性能的影響研究較少[21]。為此，作者在AlSn6Cu合金中添加微量鋯元素，研究了鋯含量對鑄態AlSn6Cu合金顯微組織和力學性能的影響。

1 試樣制備與試驗方法

1.1 試樣制備

試驗原料為純度99.9%的純鋁錠、純度99.95%的錫錠、Al-5Zr中間合金和Al-50Cu中間合金，均由蘇州川茂金屬材料有限公司提供。按照表1配比稱取原料，將純鋁錠在中頻感應熔煉爐中熔化，然后依次加入Al-50Cu中間合金、Al-5Zr中間合金和錫錠，待全部熔化后，使用石墨棒攪拌均勻，升溫到730 ℃保持2～3 min，扒去合金熔體表面的氧化渣，澆鑄到預熱至250 ℃的鑄鐵模具中，空冷，最終得到尺寸為155 mm×155 mm×22 mm(高度155 mm)的合金鑄錠。計算得到當Al-5Zr中間合金質量分數分別為0，1%，2%，4%，5%時，AlSn6Cu合金鑄錠中鋯含量(質量分數，下同)分別為0，0.05%，0.10%，0.20%，0.25%。

表1 原料配比Table 1 Raw material ratios %

1.2 試驗方法

在距離鑄錠底部60 mm位置橫向截取尺寸為155 mm×22 mm×10 mm的金相試樣，經磨拋后，先用MX4R型光學顯微鏡觀察金相試樣橫截面(155 mm×22 mm)正中心位置的β-Sn相形態；隨后，將金相試樣在由5 mL HF和100 mL H2O組成的溶液中淺腐蝕2～5 s，在MX4R型光學顯微鏡下觀察橫截面正中心位置的枝晶形貌。淺腐蝕不足以顯現晶界，為了觀察晶粒形貌，將淺腐蝕后的金相試樣再次浸入由5 mL HF+100 mL H2O組成的溶液中深腐蝕1～2 min，使用AmScope FMA050型體視顯微鏡觀察整個橫截面的晶粒形貌，并在截面上劃分5條等距的水平直線，通過統計每條直線穿過的晶粒數量計算晶粒尺寸，計算得到的晶粒尺寸取其平均值。

在距離鑄錠底部約60 mm位置橫向截取尺寸為155 mm×22 mm×10 mm的試樣并加工成直徑8 mm，標距 50 mm的狗骨形拉伸試樣，在WDW-30型萬能拉伸試驗機上進行室溫拉伸試驗，拉伸速度為1 mm·min-1，各測3個試樣取平均值。使用JSM-7800F型掃描電鏡(SEM)觀察拉伸斷口形貌。采用HMAS-D100SZ型維氏顯微硬度計測試鑄錠硬度，載荷為0.98 N，加載時間為10 s，各打8個點取平均值。

2 試驗結果與討論

2.1 鋯含量對β-Sn相形貌的影響

由圖1可以看出：未添加和添加鋯元素的AlSn6Cu合金均由基體α-Al相和分布在枝晶間隙的β-Sn相組成，和文獻[22]中觀察到的組織類似。未添加鋯元素時，合金中的β-Sn相大多呈細小的顆粒狀，同時也有少量呈蠕蟲狀；添加鋯元素后，β-Sn相形狀由顆粒狀向蠕蟲狀轉變，并且轉變趨勢隨著鋯含量的增加越發明顯，顆粒尺寸也增大；當鋯含量增至0.25%時，β-Sn相更加粗大，且呈網狀。

圖1 不同鋯含量AlSn6Cu合金的β-Sn相形貌(磨拋處理)Fig.1 Morphology of β-Sn phase of AlSn6Cu alloy with different zirconium content (polishing processing)

2.2 鋯含量對晶粒形貌和尺寸的影響

由圖2可以看出：未添加鋯元素時，AlSn6Cu合金鑄錠橫截面邊部區域為粗大的等軸晶，靠近中心區域為柱狀晶，晶粒比較粗大；添加0.10%鋯后，鑄錠橫截面邊部和中心區域仍分別由等軸晶和柱狀晶組成，但邊部的等軸晶和中心的柱狀晶相比于未添加鋯元素時均發生細化；當鋯含量增至0.20%時，橫截面中心的柱狀晶消失，組織全部由等軸晶組成，晶粒明顯細化，當鋯含量繼續增至0.25%時，晶粒進一步得到細化。

圖2 不同鋯含量AlSn6Cu合金的晶粒形貌(腐蝕1～2 min)Fig.2 Grain morphology of AlSn6Cu alloy with different zirconium content (corrosion for 1-2 min)

由圖3可以看出，AlSn6Cu合金的晶粒尺寸隨鋯含量增加而減小。未添加鋯時的晶粒尺寸為1 450 μm，鋯含量增至0.25%時為280 μm。AlSn6Cu合金中的鋯元素以Al-5Zr中間合金的形式加入，該中間合金中存在形狀不規則的Al3Zr相；Al3Zr相熔點較高，在鋁熔體中比較穩定，并且與α-Al的原子間距錯配值和界面錯配值很小，具有多個位向關系[5]，是強有效的異質形核核心。隨著鋯含量的增加，鋁熔體中Al3Zr的數量增加，合金的晶粒細化效果越發明顯。

圖3 AlSn6Cu合金的晶粒尺寸隨鋯質量分數的變化曲線Fig.3 Grain size vs zirconium mass fraction curve of AlSn6Cu alloy

鑄態AlSn6Cu合金的晶粒內部一般存在非常發達的枝晶組織，這種組織中存在兩種界面：不同晶粒之間的枝晶界和同一個晶粒內部的枝晶界。由圖4可以看出：未添加鋯元素時，AlSn6Cu合金的顯微組織為非常發達的樹枝晶組織，樹枝晶生長錯綜復雜；當添加0.10%鋯后，樹枝晶開始退化，二次枝晶長度減小；當鋯含量為0.20%時，顯微組織由樹枝狀轉變為花瓣狀；當鋯含量繼續增至0.25%時，二次枝晶基本退化，顯微組織呈現近似球狀。

圖4 不同鋯含量AlSn6Cu合金的枝晶形貌(腐蝕2～5 s)Fig.4 Dendrite morphology of AlSn6Cu alloy with different zirconium content (corrosion for 2-5 s)

未引入鋯元素時，鋁晶粒為自發形核，只有達到某一臨界尺寸的晶胚才能長大成為晶核，故晶核數量較少。晶核在長大過程中向固液界面前沿析出溶質原子，造成某些局部位置成分過冷，晶體傾向于在其棱角處優先生長，從而形成樹枝狀結構。由于晶核數量較少，這些樹枝狀結構的生長空間非常大，最終生長成發達的枝晶。因此，未添加鋯元素時鑄態AlSn6Cu合金的晶粒形貌表現為柱狀晶。當以添加Al-5Zr中間合金的方式引入鋯元素時，鋁熔體中同步引入了Al3Zr顆粒，在凝固過程中Al3Zr顆粒成為異質形核核心，增加了晶核數量，晶核生長的空間受限導致枝晶生長長度減小。當鋯含量為0.10%時，引入的Al3Zr顆粒數量相對較少，晶粒形貌仍表現為柱狀晶，但明顯細化；當鋯含量增至0.20%時，晶核數量進一步增加，樹枝晶結構退化成花瓣狀結構，此時每個花瓣狀結構均由一個晶核發展而來，晶粒為等軸狀；當鋯含量達到0.25%時，晶核密度非常高，晶核來不及發展成樹枝狀結構就與相鄰的晶核接觸而停止生長，鋁晶粒全部呈近球形，每個近球形結構均由一個晶核發展而來，晶粒為等軸狀。

2.3 鋯含量對力學性能的影響

由圖5可以看出：添加鋯元素后AlSn6Cu合金的抗拉強度均低于未添加鋯元素合金，但隨著鋯含量增加，添加鋯元素合金的抗拉強度逐漸升高最后趨于穩定；顯微硬度隨鋯含量的增加先增大后減小，最大值出現在鋯含量為0.1%時。顯微硬度隨鋯含量增加先增大的原因在于，在合金中引入鋯元素的同時也引入了硬度較高且細小彌散的Al3Zr，當鋯含量達到0.1%后又減小的原因在于，鑄態合金組織中有粗大的Al3Zr顆粒析出[23]。

圖5 AlSn6Cu合金的抗拉強度和硬度隨鋯含量的變化曲線Fig.5 Variation curves of tensile strength (a) and hardness (b) vs zirconium content of AlSn6Cu alloy

當合金發生塑性變形時，部分晶粒內的位錯源會先開動，并沿一定晶面產生滑移和增殖；晶界會阻礙位錯滑移，從而提高強度。因此一般而言，晶粒越細，即晶界越多，強度越高。AlSn6Cu合金的晶粒尺寸隨鋯含量增加而減小，但抗拉強度卻沒有表現出增大的趨勢，推測抗拉強度的變化還與組織中β-Sn相形貌及分布有關[24]。分布在晶界的β-Sn相會弱化晶界強度。未添加鋯時，雖然合金晶粒粗大，但β-Sn相呈顆粒狀且非常細小，對晶界強度影響較小，位錯需要在較大載荷作用下才能穿過晶界，因此抗拉強度較高。當鋯含量為0.05%時，合金晶粒細化的效果還不是特別明顯，但β-Sn相已有部分轉變為蠕蟲狀并且發生粗化，位錯到達晶界時可沿著蠕蟲狀的β-Sn軟相進行運動，合金的抗拉強度明顯降低。隨著鋯含量的繼續增加，晶粒細化效果越發明顯，細晶增強效果越發顯著，彌補了β-Sn相形態轉變帶來的強度下降，合金的抗拉強度逐漸增加。為了驗證這種猜測，對拉伸斷口形貌進行觀察。未添加鋯時合金的拉伸斷口非常平整，位錯穿過晶界運動，如圖6(a)所示；添加0.25%鋯元素時合金的拉伸斷口凹凸不平，位錯沿著網狀β-Sn相運動，如圖6(b)所示。這為上述猜測提供了更有力的證據，即AlSn6Cu合金的抗拉強度隨鋯含量的變化是細晶強化作用和β-Sn相對晶界的弱化作用相互競爭的結果。