半固態擠壓鑄造下稀土Y 強化機械零件用ZL105 鋁合金的制備與性能

郭紅麗， 李 勇

（1. 山西工程科技職業大學 智能制造學院， 太原 030619； 2. 浙江凱盈新材料有限公司， 浙江 海寧 314400）

鋁合金因密度低、強度大、易機械加工等特點被廣泛應用于汽車工業、機械制造、航空航天等領域[1-4］.但鋁合金在鑄造過程中容易產生氣孔、氧化夾雜、裂紋等缺陷[5-6］，微觀組織比較粗大，這些均不利于提升鋁合金的硬度等力學性能.Al-Si 系鋁合金的長針狀粗大相極大地影響了其性能，因此國內大批學者將鋁合金的組織細化作為研究內容[7-8］，利用各種變質劑對鋁合金微觀組織進行改善.目前，常用的鋁合金變質劑有Sr，P，Ti，B 等.王軍等[9］用含C 細化劑和含Sr 變質劑對A356 鋁合金進行細化變質處理，在鋁合金中加入Al-5Ti-0.5C，Al-10Sr 和Al-5Ti-0.5C-8Sr 三種中間合金，發現鋁合金的晶粒尺寸和共晶硅均得到細化，形貌改善明顯，其中Al-5Ti-0.5C-8Sr 對鋁合金有著細化和變質雙重作用.稀土及其氧化物化學活性強，幾乎能與所有元素作用，是一種很好的變質劑，對鋁合金微觀組織改善具有顯著的作用.Wang等[10］研究了稀土La，Ce 對Al-0.75Mg-0.6Si合金微觀組織和性能的影響，結果顯示，稀土的加入能有效細化合金的晶粒，提升合金的導電性和強度.當稀土添加量（質量分數）為0.5%時，鋁合金比基體的導電率、抗拉強度和伸長率分別提高了5.7%，11.3%和15.2%.目前對稀土Y 改善鋁合金微觀組織和性能的研究并不多，Song 等[11］研究了不同冷卻速度對Y 增強A356 鋁合金微觀組織和拉伸性能的影響，但有關Y 含量對鋁合金微觀組織和性能的影響的研究較少.

半固態擠壓鑄造技術是指金屬在半固態溫度區間，通過施加外加作用使其微觀組織呈現為球形組織的新型金屬成形方法.該技術應用范圍廣，節約能源，生產成本低，可延長模具壽命；成形鑄件質量好，尺寸精度高[12-13］.Sun 等[14］通過半固態擠壓鑄造技術制備了TiAl3／A356 復合材料，研究了超聲溫度、功率、時間對其微觀組織的影響，發現了半固態擠壓鑄造技術制備的復合材料初生α-Al 晶粒呈球形，微觀組織得到明顯改善.本文中以ZL105 和Al-Y 中間合金為原材料，利用半固態擠壓鑄造技術制備稀土Y 強化后的機械零件用ZL105 鋁合金，研究不同稀土添加量對ZL105鋁合金微觀組織和力學性能的影響，為細化組織及提升性能提供實驗依據.

1 實驗方法

1.1 Al-Y 中間合金的制備

實驗采用Y 粉末和純鋁來制備Al-Y 二元中間合金.先將Y 粉末放進烘干箱中烘干，去除粉末中的水分，然后將裝有純鋁的石墨坩堝放入電阻爐中加熱至725 ℃，使鋁塊完全熔化至液態，邊攪拌邊除氣、扒渣.隨后，將Y 粉末用鋁箔紙包裹完全后分批加入鋁液中，邊加入邊進行間歇性電磁攪拌，其中電磁攪拌的電流為45 A，頻率為35 Hz，每次攪拌的時間為1 min.攪拌結束后升溫至650 ℃，然后再進行電磁攪拌.重復進行5 次攪拌后，對熔體進行除氣、扒渣處理，將其澆注在預熱好的模具內自然冷卻，可制備出Al-Y 二元中間合金.將Al-Y 二元中間合金剪切成15 mm 長的短棒.

1.2 x%Y-ZL105 稀土鋁合金的制備

選用ZL105 鋁合金（化學成分如表1 所列）和Al-Y 二元中間合金為原材料制備x%Y-ZL105稀土鋁合金（x ＝0，0.2，0.4，0.6，x%為質量分數，下同），ZL105 的固相線溫度約為546 ℃，液相線溫度約為621 ℃，密度為2.72 g／m3.將ZL105 鋁合金和短棒狀Al-Y 二元中間合金表面打磨光滑、去除氧化皮后，在200 ℃下加熱去除水汽.之后，將ZL105 鋁合金放入電阻爐中熔煉，加熱至720 ℃呈熔融態；在施加機械攪拌的同時加入短棒狀Al-Y 二元中間合金，攪拌時間為15 min，靜置5 min 后再進行除氣、扒渣，并將其轉運到保溫爐（605 ℃）中保溫30 min，等待其完全反應.然后在SCH-350A 型間接擠壓鑄造機上將熔體澆注到模具內自然冷卻，制成如圖1 所示的拉伸試樣.模具預熱至250 ℃以避免試樣內產生缺陷，澆注溫度為605 ℃，壓強為150 MPa，保壓時間為15 s，壓射速度為0.2 m／s.

表1 ZL105 鋁合金化學成分（質量分數）Table 1 Chemical compositions of ZL105 aluminum alloy （mass fraction） %

圖1 拉伸試樣示意圖（mm）Fig.1 Schematic diagram of tensile specimen （mm）

1.3 表征與性能測試

取部分試樣進行鑲嵌、打磨、拋光制成金相試樣，利用光學顯微鏡、掃描電鏡和能譜分析儀對試樣的微觀組織和相進行觀察、分析.用顯微硬度計測試試樣硬度，施加壓力為1.96 N，施壓時間為15 s，每個試樣取5 個測試點，取硬度平均值為該試樣的硬度.機械打磨去除試樣表面的毛刺，在室溫下用WDW-200 萬能試驗機進行拉伸測試，測試試樣的抗拉強度和伸長率， 拉伸速率為1.5 mm／min，拉伸力為2.5 kN，同一類試樣取3次試驗結果的平均值為最終的抗拉強度和伸長率，并用掃描電鏡觀察、分析其拉伸斷口形貌.

2 結果與分析

2.1 Y 添加量對x%Y-ZL105 稀土鋁合金微觀組織的影響

圖2 展示了Y 添加量（質量分數，下同）分別為0，0.2%，0.4%和0.6%時x%Y-ZL105 鋁合金的微觀組織.從圖2（a）中可以看出：未添加Y 時，半固態擠壓鑄造鋁合金的微觀組織比較粗大，分布不均勻；α-Al 晶粒尺寸較大，約為54 μm；Al-Fe-Mn-Si相呈現為粗大的長針狀，長度約為72 μm.從圖2（b）中可以看出：當Y 添加量為0.2%時，0.2%Y-ZL105 鋁合金的微觀組織得到細化；α-Al 晶粒尺寸變小，約為42 μm，呈現為薔薇狀；長針狀的Al-Fe-Mn-Si 相變短，長度約為31 μm.圖2（c）中顯示：當Y 添加量為0.4%時，0.4%Y-ZL105 鋁合金的微觀組織細化程度更高，組織分布更均勻；α-Al 晶粒尺寸最小，達到26 μm，呈現為橢球狀；Al-Fe-Mn-Si 相變成短棒狀，長度約為22 μm.此時鋁合金的微觀組織得到很明顯的改善，Y 的變質效果最佳.但當添加0.6%的Y 時，0.6%Y-ZL105 鋁合金微觀組織如圖2（d）所示：α-Al晶粒尺寸變大，約為35 μm，呈現為雜亂的薔薇狀；Al-Fe-Mn-Si 相又變成短棒狀，長度約為25 μm.此時的鋁合金微觀組織又變得粗大.綜上，適量的Y 對x%Y-ZL105 鋁合金中的α-Al 晶粒和Al-Fe-Mn-Si 相有較強的變質效果，對x%YZL105 鋁合金的微觀組織能起到細化作用.

圖2 x%Y-ZL105 鋁合金的微觀組織Fig.2 Microstructures of x%Y-ZL105 aluminum alloy

圖3 是0.4%Y-ZL105 鋁合金的形貌圖.結合圖3（a）中點1 處的EDS 能譜分析[見圖3（b）］，0.4%Y-ZL105 鋁合金中稀土相主要包括Al，Si，Y三種元素，根據元素比例關系可推出該稀土相為Al2Si2Y[15］.稀土相的熔點和硬度更高，常常作為強化相來提高鋁合金的機械性能，適量添加可提高合金形核率，在有限的空間內使得晶粒間相互抑制生長；同時，富集在固液界面處的Y 阻礙了溶質原子在半固態區間內從液相向固相生長，最終使得合金微觀組織更細小.而過量的Y 會破壞固液界面的穩定，從而導致各相的不穩定，進而形成粗大相.

圖3 0.4%Y-ZL105 鋁合金的形貌圖Fig.3 Morphology image of 0.4%Y-ZL105

2.2 Y 添加量對x%Y-ZL105 稀土鋁合金力學性能的影響

圖4 展示了不同Y 添加量對x%Y-ZL105 稀土鋁合金硬度的影響.由圖4 可知，ZL105 鋁合金的硬度（HV）僅為80.5.當Y 添加量為0.2%時，0.2%Y-ZL105 鋁合金的硬度得到明顯提高，達到92.9.當Y 添加量為0.4%時，0.4%Y-ZL105 鋁合金的硬度進一步提升，達到最大值108.2，比ZL105 鋁合金的硬度提高了34.4%.但當添加的稀土過量（達到0.6%）時，0.6%Y-ZL105 鋁合金的硬度不升反降，降至90.8.x%Y-ZL105 鋁合金硬度出現這種變化的原因是微觀組織越均勻細小，硬度就越高，隨著Y 添加量的增加，x%YZL105 鋁合金的微觀組織先得到細化，再變得粗大.組織的細化有利于鋁合金硬度的提升，但過量添加Y 會使鋁合金中α-Al 晶粒尺寸變大，Al-Fe-Mn-Si相又變成長針狀，不利于硬度的提升.

圖4 不同Y 添加量對x%Y-ZL105 鋁合金硬度的影響Fig.4 Effects of different Y addition on hardness x%Y-ZL105 aluminum alloy

圖5 展示了不同Y 添加量對x%Y-ZL105 稀土鋁合金拉伸性能的影響.從圖5 中可以看出，ZL105 鋁合金的抗拉強度和伸長率分別為212.8 MPa 和4.4%. 隨著Y 添加量的增加，x%Y-ZL105鋁合金的抗拉強度和伸長率均先增大后減小，當Y 添加量達到0.4%時，0.4%YZL105 鋁合金的抗拉強度和伸長率達到最大值278.6 MPa和5.8%，比ZL105 鋁合金的抗拉強度和伸長率分別增加了30.9%和31.8%.這證明添加適量的Y 能改善鋁合金的拉伸性能，在提升鋁合金抗拉強度的同時還改善了其伸長率.

圖5 不同Y 添加量對x%Y-ZL105 鋁合金拉伸性能的影響Fig.5 Effects of different Y addition on tensile properties of x%Y-ZL105 aluminum alloy

圖6 是不同Y 添加量下稀土鋁合金的拉伸斷口形貌圖.從圖6（a）中可以看出，ZL105 鋁合金的拉伸斷口包括較淺且少的韌窩和平坦的解理面，發生明顯的脆性斷裂，此時鋁合金的塑性不好.當Y 添加量增加時，x%Y-ZL105 鋁合金拉伸斷口的韌窩變深且數量變多，平坦的解離面減少；圖6（c）中的0.4%Y-ZL105 鋁合金拉伸斷口的韌窩深且多，塑性得到大幅度提升，拉伸性能達到最佳.當加入過量的Y（添加量為0.6%）時，韌窩變淺且數量減少，解理面變多，此時0.6%Y-ZL105鋁合金的拉伸性能變差.這進一步說明適量的Y可以提升鋁合金的拉伸性能，而添加過量的Y時，鋁合金中形成的長針狀粗大相不利于其拉伸性能的提升.

圖6 x%Y-ZL105 鋁合金的拉伸斷口形貌圖Fig.6 Tensile fracture morphology of x%Y-ZL105 aluminum alloy

3 生產驗證

在得到最佳的Y 添加量0.4%之后，利用半固態擠壓鑄造技術在擠壓鑄造機上澆注0.4%Y-ZL105鋁合金制備如圖7（a）所示的機械零件端蓋件，對機械零件進行試生產，最后得到的機械零件實物如圖7（b）所示.機械零件表面無明顯缺陷，符合生產制造要求.

圖7 機械零件端蓋外觀圖Fig.7 Appearance of mechanical part end cap

4 結 論

（1）Y 可以有效細化x%Y-ZL105 鋁合金的微觀組織.隨著Y 添加量的增加，x%Y-ZL105 鋁合金的微觀組織先得到細化，再變得粗大.當Y 添加量為0.4%時，微觀組織細化程度最高，α-Al 晶粒尺寸減小到26 μm，長針狀Al-Fe-Mn-Si 相轉變為短棒狀，尺寸減小到22 μm.

（2）隨著Y 添加量的增加，x%Y-ZL105 鋁合金硬度、抗拉強度和伸長率均先增大后減小.當Y添加量為0.4%時，x%Y-ZL105 鋁合金的硬度、抗拉強度和伸長率均達到最大值108.2，278.6 MPa和5.8%，較ZL105 鋁合金的硬度、抗拉強度和伸長率分別提高了34.4%，30.9%和31.8%，此時0.4%Y-ZL105 鋁合金的拉伸斷口韌窩變深且數量變多，平坦的解理面減少.

（3）利用半固態擠壓鑄造技術在擠壓鑄造機上澆注0.4%Y-ZL105 鋁合金試生產機械零件端蓋件，零件表面無明顯缺陷，符合生產制造要求.