原標(biāo)題：Zn對(duì)壓鑄Al-Si合金共晶Si的粗化及粗化后變質(zhì)處理

摘要：通過(guò)微觀(guān)組織觀(guān)察和力學(xué)性能測(cè)試等方法，研究了Zn元素對(duì)壓鑄Al-10Si-0.3Mg-0.6Mn合金的影響，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行Sr和RE的變質(zhì)處理，獲得了一種綜合性能良好的壓鑄鋁合金。結(jié)果表明，Zn元素的固溶強(qiáng)化使合金的強(qiáng)度得到提升，但原來(lái)細(xì)小的共晶Si變得粗大，出現(xiàn)長(zhǎng)條狀和塊狀的硅，合金伸長(zhǎng)率下降。加入400 ppm的Sr和0.1%的La/Ce混合稀土使粗化的共晶Si重新得到細(xì)化，最終獲得的合金的屈服強(qiáng)度為167 MPa、抗拉強(qiáng)度為324 MPa、伸長(zhǎng)率為10.2%。

壓鑄鋁合金具有較高的比強(qiáng)度、良好的鑄造性能、加工性能、可再生性能以及優(yōu)良的導(dǎo)電導(dǎo)熱性能，廣泛應(yīng)用于汽車(chē)、航空航天和電器工業(yè)等領(lǐng)域。Al-Si壓鑄合金因結(jié)晶溫度區(qū)間小、硅相凝固結(jié)晶潛熱和比熱容大、線(xiàn)收縮率小、且具有良好的流動(dòng)性能、充型性能和較小的熱裂、縮松傾向，廣泛應(yīng)用。但傳統(tǒng)的壓鑄Al-Si合金塑性較差，難以滿(mǎn)足汽車(chē)行業(yè)高速發(fā)展的要求。為滿(mǎn)足性能要求，目前主要通過(guò)引入強(qiáng)化元素來(lái)實(shí)現(xiàn)性能改善，另外通過(guò)變質(zhì)共晶Si提高合金的塑性。

壓鑄Al-Si合金中常見(jiàn)的強(qiáng)化元素有Mg、Cu等，Mg可與Si形成Mg2Si，在合金組織中彌散析出起到強(qiáng)化作用，提高合金的屈服強(qiáng)度；Cu可作為合金中的固溶元素，同時(shí)可與Al形成Al2Cu相，起到固溶強(qiáng)化和析出強(qiáng)化的作用，提高合金的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度。在Al-Si合金中Zn元素很少作為強(qiáng)化元素進(jìn)行研究，張曉麗探究了Zn對(duì)Al-Si-Cu-Mg合金組織和性能的影響，發(fā)現(xiàn)在1%含量范圍內(nèi)Zn可促進(jìn)Si相的圓整化，提升合金的硬度、強(qiáng)度，但伸長(zhǎng)率 降低。楊承志等[17]、YASIN A等進(jìn)一步擴(kuò)大了Zn的含量，研究了質(zhì)量分?jǐn)?shù)超過(guò)1%的Zn對(duì)近共晶鋁硅合金性能的影響，發(fā)現(xiàn)當(dāng)Zn含量超過(guò)1%，合金的強(qiáng)度和硬度隨著Zn含量增加而提升，伸長(zhǎng)率下降，合金中共晶Si尺寸增加，出現(xiàn)片狀和針狀。趙浩峰等的研究也得到類(lèi)似的結(jié)論。Zn添加至Al-Si合金中，當(dāng)含量超過(guò)1%會(huì)使共晶Si尺寸增大。顯然，Zn的引入能夠提升合金的強(qiáng)度，但由于粗化共晶Si，導(dǎo)致伸長(zhǎng)率下降。目前的研究主要集中在重力鑄造，對(duì)于Zn元素粗化共晶Si的原因未給出解釋?zhuān)瑫r(shí)也沒(méi)有給出解決方案。因此，有必要研究在壓鑄快速冷卻的條件下Zn對(duì)Al-Si合金組織性能的影響，與此同時(shí)引入變質(zhì)元素，解決共晶Si粗化的問(wèn)題。

本課題選取Al-10Si-0.3Mg-0.6Mn作為研究對(duì)象，采用壓鑄方式，加入2.5%的Zn，之后進(jìn)一步加入Sr和La/Ce對(duì)合金進(jìn)行變質(zhì)處理，探究不同元素對(duì)合金力學(xué)性能、組織特征、斷裂行為的影響，從而獲得一種高強(qiáng)高韌壓鑄鋁合金。

1、試驗(yàn)設(shè)備與試驗(yàn)合金

試驗(yàn)中選擇Al-10Si-0.3Mg-0.6Mn壓鑄鋁合金(Z1合金)作為基礎(chǔ)合金，依次加入2.5%的Zn、400ppm的Sr、0.1%的La/Ce混合稀土，獲得合金Z2、Z3、Z4，以純Al、Si、Mg、Zn和Al-10Mn、Al-10Sr、Al-10(La/Ce) 中間合金為原材料。合金的實(shí)際成分通過(guò)光譜和ICP測(cè)定，見(jiàn)表1。圖1為壓鑄模具和拉伸棒尺寸，拉伸試棒尺寸根據(jù)GB/T13822-2017設(shè)計(jì)。

表1:合金實(shí)測(cè)成分  wb/%

圖1:壓鑄模具和拉伸試棒尺寸

拉伸設(shè)備為Zwick/Roell-20kN萬(wàn)用拉伸機(jī)，拉伸試驗(yàn)在室溫下進(jìn)行，每種合金成分試棒隨機(jī)選取5根，拉伸曲線(xiàn)通過(guò)附在拉伸機(jī)上的引伸計(jì)得到，標(biāo)距為50 mm，拉伸速率為1 mm/min。通過(guò)X射線(xiàn)衍射（XRD）鑒別合金中的相組成，X射線(xiàn)光源為Cu靶。從拉伸試樣切取1~2 mm進(jìn)行鑲樣，經(jīng)過(guò)機(jī)械研磨、拋光后，用HF溶液(0.5mL的HF、100mL的H2O)進(jìn)行腐蝕，利用Zeiss Axio光學(xué)顯微鏡進(jìn)行OM觀(guān)察，Apollo300 掃描電鏡進(jìn)行高倍顯微組織、斷口觀(guān)察和能譜分析，通過(guò)Image Pro6.0進(jìn)行晶粒尺寸分析并獲得α-Al面積分?jǐn)?shù)。TEM(transmission electron microscope)觀(guān)察在JEM-2100F上進(jìn)行。

2、試驗(yàn)結(jié)果和討論

2.1 微觀(guān)組織分析

圖2為壓鑄Al-10Si-0.3Mg-0.6Mn合金的典型微觀(guān)組織，拉伸試棒截面可分為A、B、C3個(gè)區(qū)域，在距離試樣表面1 300~1 500 μm處有一圓環(huán)，寬度大約為200 μm(見(jiàn)圖2a中B區(qū)域)，由于該處缺陷一般較多，稱(chēng)為缺陷環(huán)。缺陷環(huán)可認(rèn)為是試樣表層組織和心部組織的分界區(qū)域。圖2b~圖2d是3個(gè)區(qū)域的進(jìn)一步放大OM照片，可見(jiàn)表層組織由于冷卻速率大，α-Al晶粒尺寸細(xì)小且都呈現(xiàn)薔薇狀，明顯小于另外兩個(gè)區(qū)域；心部組織中α-Al存在兩種形態(tài)，一種尺寸小、形態(tài)圓整，另一種尺寸明顯偏大(見(jiàn)圖2d中圓圈內(nèi))，這些晶粒可能是在料筒中的結(jié)晶組織，隨后被金屬液沖刷至試棒中繼續(xù)長(zhǎng)大所致。

(a)低倍整體形貌 (b)A區(qū)域組織 (c)B區(qū)域組織 (d)C區(qū)域組織
圖2:合金Z1典型組織OM照片

表2為各合金的初生α-Al平均晶粒尺寸(等效直徑，包括預(yù)結(jié)晶組織在內(nèi)) 和面積分?jǐn)?shù)(初生α-Al總面積/(初生α-Al總面積+共晶區(qū)總面積))。3個(gè)區(qū)域中，缺陷環(huán)上α-Al面積分?jǐn)?shù)低于其他兩個(gè)區(qū)域，即缺陷環(huán)上共晶區(qū)面積分?jǐn)?shù)更高。從α-Al平均晶粒尺寸看，加入Zn后對(duì)晶粒尺寸的影響不大，Z1合金各區(qū)域晶粒尺寸均大于另外3種合金，在Z1合金中可以看到更多預(yù)結(jié)晶α-Al。有研究表明，加入La/Ce元素能夠細(xì)化初生α-Al，在此次試驗(yàn)中這種變化不明顯，無(wú)法排除統(tǒng)計(jì)誤差。

表2:初生α-Al平均晶粒尺寸和面積分?jǐn)?shù)

圖3為不同成分合金的SEM照片?？梢钥闯?，Z1合金中共晶Si尺寸基本在1 μm左右，多為圓點(diǎn)狀；只有少部分是超過(guò)1 μm的長(zhǎng)條狀，這可以保證合金的伸長(zhǎng)率。Z2合金中共晶Si明顯更粗大，達(dá)到3~4 μm，不僅長(zhǎng)度增大，寬度也增大，部分為折線(xiàn)型(圖5b中紅色圓圈內(nèi))；在尺寸粗大的共晶Si中間存在少量細(xì)小的Si相。由于尺寸增大，共晶Si間距增大。加入Sr元素后，共晶Si尺寸得到一定的細(xì)化，但和Z1合金相比，更多的還是條狀的共晶Si。Z4合金中共晶Si尺寸進(jìn)一步減小，可以看到很多點(diǎn)狀的硅，尺寸甚至比Z1合金更小，只是在α-Al晶界處存在少量尺寸大的硅。

(a)合金Z1 (b)合金Z2 (c)合金Z3 (d)合金Z4
圖3:不同合金的SEM形貌

對(duì)4種合金進(jìn)行XRD分析，結(jié)果見(jiàn)圖4，可見(jiàn)加入Zn元素組織中未出現(xiàn)新的相，還是主要由α-Al、Si以及Al(Fe/Mn)Si相組成。圖5a、圖5b分別是是Z2合金和Z4合金的EDS面掃描分析結(jié)果，可見(jiàn)合金Z2(圖5a)中Zn元素沒(méi)有明顯的偏聚，分布比較均勻，Sr元素分布與Si元素分布基本一致，說(shuō)明Sr元素對(duì)共晶Si起到變質(zhì)作用。加入Sr和La/Ce元素后(圖5b)，面掃描結(jié)果和合金Z2一樣，Si、Sr、Zn元素分布情況保持不變，紅色圓圈區(qū)域La/Ce元素含量較高，選取A點(diǎn)進(jìn)行分析(見(jiàn)圖5c)，可以看出該處主要由Al、Si、Zn、La、Ce組成，即部分RE元素和Al、Si、Zn形成新相，由于含量小，XRD分析未檢測(cè)出。

圖4:XRD分析結(jié)果

(a)合金Z2元素分析面掃描結(jié)果,(b)合金Z4元素分析面掃描結(jié)果,(c)圖(b)中A點(diǎn)成分分析
圖5:合金Z2、Z4元素分析面掃描結(jié)果及成分分析

圖6和圖7是Z2合金的TEM圖片及面掃描、線(xiàn)掃描結(jié)果?？梢钥闯?，Zn元素的分布和Al元素的分布基本一致，圖7中線(xiàn)掃描結(jié)果進(jìn)一步證明在共晶Si區(qū)域Zn含量很低，說(shuō)明Zn元素主要固溶在α-Al中。進(jìn)一步對(duì)α-Al進(jìn)行EDS分析，結(jié)果見(jiàn)表3。Sr和La/Ce元素的加入沒(méi)有改變Zn元素在α-Al中的固溶量，Z2、Z3、Z4合金的初生α-Al中Zn元素含量在1.5%左右，共晶區(qū)α-Al中含量達(dá)到2.5%左右，即共晶區(qū)內(nèi)Zn在α-Al中固溶量更高，這也與凝固過(guò)程吻合。凝固開(kāi)始時(shí)先形成初生α-Al，溶質(zhì)含量低，使剩余金屬液中溶質(zhì)含量提高，后續(xù)共晶反應(yīng)生成的α-Al中Zn的固溶量高于初生α-Al。 隨后在共晶凝固時(shí)，由于Zn主要在Al相固液前沿富集，阻礙Al相的生長(zhǎng)，使得Si相的生長(zhǎng)速率相對(duì)得到提升，Si相獲得更大的生長(zhǎng)空間，從而使Si相變得粗大，見(jiàn)圖7a。Sr作為Al-Si合金中常用的變質(zhì)劑，主要是通過(guò)元素Sr吸附在鋁硅合金的硅相組織表面影響共晶Si的生長(zhǎng)，從而達(dá)到細(xì)化晶粒的效果，目前普遍接受的理論有雜質(zhì)誘導(dǎo)孿生理論[26]和雙平凹角機(jī)制。由圖5a、圖5b可知，Sr元素分布與Si分布一致，因此在Z3合金中，Sr元素含量的提升使得更多的Sr元素富集在共晶Si的兩端，在共晶Si生長(zhǎng)前沿形成了Al-Si-Sr薄層，對(duì)Si相的生長(zhǎng)起到限制作用，使共晶Si得到一定程度的細(xì)化[28]，見(jiàn)圖8。而在Z4合金中，元素分布情況見(jiàn)圖5b和圖6c，加入La/Ce后，Sr的分布還是和Si保持一致。合金中La/Ce的分布比較均勻，但在共晶Si附近含量相對(duì)更高，由此可以推斷在Si的生長(zhǎng)前沿形成了Al-Si-Sr-RE薄層，對(duì)Si相生長(zhǎng)的阻礙進(jìn)一步增強(qiáng)，提升了變質(zhì)效果，Si相得到進(jìn)一步的細(xì)化，見(jiàn)圖8。

(a)合金Z2元素分析面掃描結(jié)果,(b)合金Z2元素分析線(xiàn)掃描結(jié)果,(c)合金Z4元素分析面掃描結(jié)果
圖6:不同合金TEM分析結(jié)果

表3:不同合金α-Al中Zn元素的固溶量  wb/%

(a)合金Z2中共晶α-Al固液界面(b)合金Z3共晶Si固液界面(c)合金Z4共晶Si固液界面
圖7:凝固過(guò)程共晶區(qū)域固液界面示意圖

2.2 力學(xué)性能

圖9是不同成分合金的應(yīng)力應(yīng)變曲線(xiàn)和平均力學(xué)性能。可以看出，Z1合金屈服強(qiáng)度為132 MPa、抗拉強(qiáng)度為296 MPa、伸長(zhǎng)率為10.1%；加入2.5%的Zn之后，Z2合金屈服強(qiáng)度為148 MPa、抗拉強(qiáng)度為300 MPa、伸長(zhǎng)率為8.6%；與合金Z1相比，合金Z2的屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度分別提升12.1%、1.3%，而伸長(zhǎng)率下降了14.9%。Z3合金的屈服強(qiáng)度為158 MPa、抗拉強(qiáng)度為314 MPa、伸長(zhǎng)率為9.4%，和Z2合金相比，伸長(zhǎng)率得到提升，但仍低于Z1合金。Z4合金的屈服強(qiáng)度為167 MPa、抗拉強(qiáng)度為324 MPa、伸長(zhǎng)率為10.2%；與Z1合金相比，Z4合金的屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、伸長(zhǎng)率分別提升26.5%、9.5%、1.0%，即在提升強(qiáng)度的同時(shí)保證伸長(zhǎng)率不降低。

(a)不同成分合金的室溫力學(xué)性能       (b)工程應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)
圖9:不同成分合金的應(yīng)力應(yīng)變曲線(xiàn)和室溫力學(xué)性能

從微觀(guān)組織看，Z1合金共晶組織中Si形態(tài)細(xì)小，分布均勻，因此表現(xiàn)出很好的伸長(zhǎng)率。加入2.5%的Zn后，Zn主要固溶在α-Al中，對(duì)合金起到固溶強(qiáng)化作用，所以與Z1合金相比屈服強(qiáng)度得到提升；另一方面，Zn的加入使共晶Si尺寸增大，這些尺寸變大的共晶Si存在一些尖銳的折角，會(huì)發(fā)生應(yīng)力集中，不利于伸長(zhǎng)率。當(dāng)提升Sr的含量，Z3合金中的共晶Si與Z2合金相比有一定程度的細(xì)化，第二相的細(xì)化一方面對(duì)強(qiáng)度有提升，同時(shí)細(xì)化的硅也能提升合金的伸長(zhǎng)率。但也可以發(fā)現(xiàn)，硅的尺寸仍然較為粗大，且形狀復(fù)雜，與Z1合金相比伸長(zhǎng)率更低。在加入RE元素后，Z4合金中共晶Si的尺寸進(jìn)一步得到細(xì)化，Z4合金的伸長(zhǎng)率和Z1合金相比基本保持不變，因此Z4合金具有最好的綜合性能，在保證固溶強(qiáng)化的同時(shí)，很好地改善了Zn元素對(duì)共晶Si的不利影響。

2.3 斷口觀(guān)察

圖10為不同成分合金的拉伸斷口形貌，在Z1、Z2、Z3、Z4合金的斷口處均能觀(guān)察到共晶Si、Al(Fe、Mn)Si相(紅色箭頭處)，另外存在一些裂紋(黃色箭頭處)，由于三者伸長(zhǎng)率都超過(guò)8%，相對(duì)于常見(jiàn)壓鑄鋁合金，伸長(zhǎng)率較高，因此也可觀(guān)察到韌窩的存在。Z1、Z4合金斷口形貌(圖10a、圖10d)中韌窩數(shù)量多，韌窩細(xì)小且深，斷口上的裂紋尺寸小(長(zhǎng)度＜10μm)；合金Z2斷口(圖10b)上韌窩數(shù)量少，韌窩淺，裂紋尺寸大(長(zhǎng)度為10~20 μm)；合金Z3斷口(圖10c)上韌窩結(jié)合了Z2合金、Z4合金的特點(diǎn)，存在一些尺寸小的深韌窩，也有尺寸大的淺韌窩。

(a) Z1合金 (b) Z2合金 (c) Z3合金 (d) Z4合金
圖10:不同合金成分?jǐn)嗫谛蚊?/p>

為了觀(guān)察試樣斷裂后裂紋的分布情況，斷口附近部位縱向的掃描電鏡顯微組織見(jiàn)圖11。Z1合金 (圖11a)斷口處可以明顯看到除了沿α-Al晶界處斷裂(紅色箭頭處)外，有部分α-Al發(fā)生變形斷裂(黃色箭頭處)。與共晶Si相比，α-Al屬于較軟的相，發(fā)生變形斷裂說(shuō)明合金的伸長(zhǎng)率好。在斷口附近部位，裂紋主要在晶界和塊狀A(yù)l(Fe、Mn)Si相處產(chǎn)生。Z2合金 (圖11b)斷口處主要是晶界處斷裂，在斷口附近區(qū)域裂紋尺寸較大而且數(shù)量明顯多于Z1合金，還可以觀(guān)察到一些針狀的共晶Si發(fā)生了斷裂(藍(lán)色箭頭處)，說(shuō)明在這些尺寸較大的共晶Si處易產(chǎn)生應(yīng)力集中，成為裂紋萌生點(diǎn)，因此裂紋除了分布在晶界和塊狀A(yù)l(Fe、Mn)Si相周?chē)?，在共晶區(qū)內(nèi)也能看到一些裂紋分布，這不利于合金的塑性改善。合金Z3(圖11c)相比于Z2合金，裂紋的尺寸減小，但仍大于Z1合金，在共晶區(qū)內(nèi)也可以觀(guān)察到一些裂紋。Z4合金 (圖10d)與Z1合金的裂紋分布比較接近，裂紋尺寸很小，主要位于晶界和Al(Fe、Mn)Si相處。

(a) Z1合金 (b) Z2合金 (c) Z3合金 (d) Z4合金
圖11:不同合金的斷口縱向SEM照片

3、結(jié)論

(1)在Al-10Si-0.3Mg-0.6Mn合金中加入2.5%的Zn會(huì)使共晶Si尺寸增大，之后添加Sr和La/Ce混合稀土，共晶Si尺寸又重新細(xì)化。

(2)Zn的加入，可以提升合金的強(qiáng)度，但合金的伸長(zhǎng)率下降；之后添加Sr和La/Ce之后，合金的強(qiáng)度和伸長(zhǎng)率均得到提升，與合金Al-10Si-0.3Mg-0.6Mn相比，合金強(qiáng)度提升而伸長(zhǎng)率不降低。

(3)在各合金斷口上都可觀(guān)察到韌窩，但加入Zn后，斷口處韌窩數(shù)量減少，斷口縱向觀(guān)察可以看到一些斷裂的針狀共晶Si；當(dāng)共晶Si重新得到細(xì)化后，韌窩數(shù)量增多。

作者：

韓盼文 袁靈洋 Ghulam Asghar
上海交通大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院輕合金精密成型國(guó)家工程研究中心

劉保良
上海輕合金精密成型國(guó)家工程研究中心有限公司

胡志恒
上海永茂泰汽車(chē)零部件有限公司

付彭懷 彭立明
上海交通大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院輕合金精密成型國(guó)家工程研究中心
上海輕合金精密成型國(guó)家工程研究中心有限公司

本文來(lái)自：《特種鑄造及有色合金》雜志2021年第41卷第04期