材料工程  2018, Vol. 46 Issue (1): 67-73   PDF    
http://dx.doi.org/10.11868/j.issn.1001-4381.2016.001066
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李晓燕, 卢雅琳, 王健, 周东帅, 杨林
LI Xiao-yan, LU Ya-lin, WANG Jian, ZHOU Dong-shuai, YANG Lin
稀土Er对A356铝合金微观组织和力学性能的影响
Effect of Rare Earth Erbium on Microstructure and Mechanical Properties of A356 Aluminum Alloy
材料工程, 2018, 46(1): 67-73
Journal of Materials Engineering, 2018, 46(1): 67-73.
http://dx.doi.org/10.11868/j.issn.1001-4381.2016.001066

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收稿日期: 2016-09-07
修订日期: 2017-10-09
引用本文
李晓燕, 卢雅琳, 王健, 周东帅, 杨林. 稀土Er对A356铝合金微观组织和力学性能的影响[J]. 材料工程, 2018, 46(1): 67-73.
LI Xiao-yan, LU Ya-lin, WANG Jian, ZHOU Dong-shuai, YANG Lin. Effect of Rare Earth Erbium on Microstructure and Mechanical Properties of A356 Aluminum Alloy[J]. Journal of Materials Engineering, 2018, 46(1): 67-73.
稀土Er对A356铝合金微观组织和力学性能的影响
李晓燕1 , 卢雅琳1,2 , 王健2 , 周东帅2 , 杨林2     
1. 江苏省高性能材料绿色成形技术与装备重点建设实验室, 江苏 常州 213001;
2. 江苏理工学院 材料工程学院, 江苏 常州 213001
收稿日期: 2016-09-07; 修订日期: 2017-10-09
基金项目: 国家自然科学基金项目(51601079);江苏省产学研前瞻性联合研究项目(BY2016030-17)
通讯作者: 卢雅琳(1967-), 女, 博士, 教授, 主要研究方向为铸造、半固态成形技术, 联系地址:江苏省常州市中吴大道1801号江苏理工学院材料工程学院(213001), E-mail:luyalin@163.com
摘要: 针对传统的A356铝合金, 添加稀土元素是改善其微观组织并提高力学性能的有效途径。本工作通过示差扫描量热分析(DSC)、X射线衍射(XRD)、扫描电镜(SEM)等分析手段来研究稀土Er对铸态A356铝合金组织和性能的影响。结果表明, 稀土元素Er是一种能够显著改善A356合金铸态组织的优良变质剂。Er的加入细化了初生α-Al相, 二次枝晶间距降低, 枝晶臂直径减小, 同时对铸态组织中的共晶Si起到了变质作用。当Er含量达到0.4%(质量分数, 下同)时, 细化效果最为显著, 二次枝晶间距由53.6μm减小到17.5μm, 共晶硅形貌也由粗大的板条状转变为短棒或圆粒状。与A356合金相比, 添加0.4% Er的合金样品的抗拉强度和伸长率分别提高了15.1%, 29.8%。
关键词: A356铝合金    稀土Er    微观组织    力学性能   
Effect of Rare Earth Erbium on Microstructure and Mechanical Properties of A356 Aluminum Alloy
LI Xiao-yan1, LU Ya-lin1,2 , WANG Jian2, ZHOU Dong-shuai2, YANG Lin2    
1. Key Construction Laboratory of Green Forming Technology and Equipment of High Performance Material from Jiangsu Province, Changzhou 213001, Jiangsu, China;
2. Department of Materials Engineering, Jiangsu University of Technology, Changzhou 213001, Jiangsu, China
Abstract: For conventional A356 aluminum alloy, the addition of rare earth elements is an effective way to modify its microstructures and improve its mechanical properties.The effect of rare earth Er on microstructures and properties of as-cast A356 aluminum alloy was studied by differential scanning calorimetry (DSC), X-ray diffraction (XRD) and scanning electron microscopy (SEM).The results indicate that rare earth element Er is a good modifier for A356 aluminum alloy, which is able to improve obviously the microstructure of as-cast alloy.The addition of Er refines the primary α-Al phase, decreases the secondary dendrite arm spacing and the dendrite arm diameter, and modifies the eutectic Si in as-cast structure simultaneously.When the amount of Er reaches 0.4% (mass fraction, the same below), the refinement effect is the most significant, secondary dendrite arm spacing decreases from 53.6μm to 17.5μm and the morphology of eutectic Si transforms from thick lath-shaped to short rod-like or round granular.Compared with A356 alloy, the tensile strength and elongation of A356 aluminum alloy with the addition of 0.4%Er increase by 15.1% and 29.8% respectively.
Key words: A356 aluminum alloy    rare earth erbium    microstructure    mechanical property   

A356铝合金具有良好的综合性能, 其铸造流动性好、气密性小、收缩率小和热裂倾向性小, 有亚共晶成分, 具有较宽的固液共存区, 在航空、汽车等领域得到了广泛应用[1-3]。A356铝合金中初晶α-Al相、共晶Si形貌在很大程度上决定了合金的力学性能[4]。在铸造条件下, A356铝合金中初生α-Al枝晶较粗大, 共晶Si容易形成粗大的针片状, 这些粗大的共晶Si严重割裂了基体, 使得合金的强度和塑性显著降低。研究表明[5-8], 稀土不仅能显著细化初生α-Al相, 而且对共晶Si有较好的变质作用。刘小梅等[9]研究发现, 经稀土La处理过的A356铝合金中初生α-Al晶粒细小, 分布均匀, 几乎没有发达枝晶。张秀梅等[10]研究认为, 稀土元素Ce改善了A356铝合金的枝晶组织及共晶硅形貌, 使得晶粒细化, 提高了合金的力学性能。黄吉等[11]通过加入稀土Sc使A356铝合金中的初生α-Al相细化。当Sc含量为0.2%(质量分数, 下同)时, 对A356合金的初生α-Al相细化效果最理想。Sc变质效果强, 其次是La, Ce, 但Sc是战略性元素, 价格昂贵。研究发现, 将微量稀土元素Er添加到铝及其合金中, 不仅可以细化铸态晶粒, 而且能够明显抑制再结晶。Er还能提高铝及其合金的强度, 改善其耐蚀性和焊接性。另外, Er元素在铝及其合金中具有与Sc元素相似的作用, 而其价格却比Sc便宜很多。因此本课题选用稀土Er对A356合金变质, 研究Er对A356合金的微观组织和力学性能的影响。

1 实验材料与方法

实验用铝合金为商用A356铝合金, 其化学成分组成如表 1所示。

表 1 A356铝合金化学成分(质量分数/%) Table 1 Chemical compositions of A356 aluminum alloy(mass fraction/)
Si Mg Mn Fe Cu Ti Al
7.0200 0.4200 <0.0050 0.1200 <0.0050 <0.0100 Bal
表选项

制备稀土铝合金时, 首先将坩埚预热到500~550℃再放入A356铝合金进行加热, 升温至800℃熔化炉料, 此时, 添加不同含量的Al-Er中间合金, 用钟罩将中间合金压入溶液中, 并用石墨棒不停搅拌, 使稀土分布均匀; 待熔体温度降至700~750℃时, 加入除气除渣剂, 静置10min, 浇注到预热温度为200℃的金属模具中, 可获得不同含量的稀土铝合金。

试样经磨样、抛光后, 用5%HF水溶液腐蚀试样, 在Nikon-MR5000金相显微镜和Sigma 500扫描电镜上进行微观组织观察, 并在WDW电子万能材料试验机上进行力学性能测试。

2 结果与分析 2.1 稀土Er元素对相及相变温度的影响

图 1为A356铝合金的XRD图谱。从图 1可以看出, A356铝合金主要由Al, Si相组成, 添加稀土元素Er后, 出现了Al3Er相。

图 1 A356铝合金XRD图谱 Fig. 1 XRD patterns of A356 aluminum alloy
图选项

图 2为A356铝合金添加稀土元素Er前后的DSC曲线。由图 2中A356合金曲线可以看出, 未添加稀土元素时, 液相温度大于625℃, 曲线处于平缓, 合金中没有相析出。根据Al-Er二元合金相图可知, 当共晶温度为655℃, 共晶点成分约为6%, 存在一共晶体Al-Al3Er[12-14]。从图 2中A356+Er合金曲线可以看出, 曲线在A点又出现峰值, 温度降至A点651.8℃时, 发生共晶反应:L→α-Al+Al3Er, 说明合金中析出Al3Er相, 与XRD实验结果一致。由于A356合金凝固温度范围为560~630℃, 因此发生反应时, 合金处于液态, 共晶反应产生的α-Al可作为合金初生相的形核核心, 从而使α-Al得到细化。

图 2 A356铝合金的DSC曲线 Fig. 2 DSC curves of A356 aluminum alloy
图选项

图 2中B点为α-Al形核开始温度, 当温度降至B点时, 发生吸热反应, 此时α-Al相开始析出。从图中可以看出, 添加稀土Er元素后, α-Al形核温度由625.0℃降低到620.7℃, α-Al形核温度的降低说明Er的加入抑制了α-Al的形核。此外, 图 2稀土的加入使得DSC曲线共晶峰左移。当温度降至C点时, 发生共晶反应:L→α-Al+Si, 硅相开始析出, 添加稀土Er后, 共晶点温度由570.3℃下降到566.4℃, 稀土的加入使得共晶硅的形核温度降低, 生长速率减小, 难以形成粗大组织, 起到较好的变质效果。

2.2 稀土Er对A356合金组织的影响 2.2.1 稀土Er对A356合金α-Al相的细化

图 3为不同Er含量时A356铝合金的微观组织。从图 3中可以看出, A356合金组织是由白色的初生α-Al相和黑色的共晶硅相组成的。图 3(a)为未添加Er的A356铝合金。可以看出α-Al呈现出粗大枝晶状组织, 分布不均匀。图 3(b)~(f)为不同Er含量下A356铝合金的微观组织。可以看出, 稀土Er的加入, 使得α-Al尺寸和形貌发生了显著变化。随着Er含量的增加, 粗大的枝晶组织得到细化, 二次枝晶间距减小, 分布也较均匀。当稀土含量达到0.4%时, α-Al细化效果明显, 继续增加Er含量, 细化效果变化不显著。

图 3 Er含量对A356铝合金微观组织的影响 (a)0.0%Er; (b)0.2%Er; (c)0.4%Er; (d)0.5%Er; (e)0.6%Er; (f)0.7%Er Fig. 3 Effect of Er content on the microstructures of A356 aluminum alloys (a)0.0%Er; (b)0.2%Er; (c)0.4%Er; (d)0.5%Er; (e)0.6%Er; (f)0.7%Er
图选项

图 4为二次枝晶间距随稀土Er含量的变化曲线。可以看出, 未添加Er时, 二次枝晶间距为53.6μm, 随着Er的加入, 间距显著减小。当Er含量为0.2%时, 二次枝晶间距减小到26.5μm。当Er含量为0.4%时, 晶粒细化效果十分显著, 二次枝晶间距降低到17.5μm。但继续增大Er含量, 间距变化趋势趋于平缓, Er对二次枝晶间距的影响不大。由此可见, 当Er含量达到0.4%时, 稀土元素对二次枝晶间距的影响较为显著。

图 4 二次枝晶间距随Er含量的变化曲线 Fig. 4 Curve of secondary dendrite arm spacing with Er content
图选项
2.2.2 稀土Er对A356铝合金中共晶硅的变质作用

图 5为不同Er含量A356铝合金中的共晶硅形貌。由图 5(a)可以看出, 未添加Er时, 共晶硅呈粗大的条状或块状, 分布很不均匀, 硅颗粒平均尺寸为22.7μm。随着稀土Er含量的增加, 共晶硅形貌和尺寸得到不同程度的改善, 从初始的条状、板条状逐步转变为短棒或圆粒状, 如图 5(b)~(f)所示。

图 5 不同Er含量对A356铝合金中Si相的影响 (a)0.0%Er; (b)0.2%Er; (c)0.4%Er; (d)0.5%Er; (e)0.6%Er; (f)0.7%Er Fig. 5 Effect of Er content on Si phase of A356 aluminum alloys (a)0.0%Er; (b)0.2%Er; (c)0.4%Er; (d)0.5%Er; (e)0.6%Er; (f)0.7%Er
图选项

添加0.2%Er后, 共晶硅有所细化, 平均尺寸减小到14.3μm, 当Er含量增至0.4%时, 共晶组织中的硅颗粒相基本演化为短杆状或粒状, 平均尺寸为7.6μm, 细化效果十分明显, 当合金中Er含量继续增加至0.5%时, 共晶硅完全变质, 呈点状和细小纤维状, 分布更均匀, 平均尺寸减小到5.7μm。当Er含量超过0.5%时, 组织中出现了部分针状析出相A, 对其进行扫描及能谱分析可知(如图 6), 该针状析出物为含Al, Er的物质, 结合XRD分析可知, 针状析出物为Al3Er相。

图 6 A356+Er合金扫描照片(a)及EDS能谱分析(b) Fig. 6 SEM image(a) and EDS analysis(b) of A356+Er alloys
图选项

图 7为稀土Er对共晶硅宽径比的影响, 宽径比越小, 表明晶粒越圆整。从图中可以看出, 宽径比呈现出先降后升的趋势, 未添加稀土时, 共晶硅为粗大的树枝状, 宽径比为5.46, 添加稀土后, 共晶硅发生变质, 越来越细小, 在含量为0.4%时, 宽径比减小到1.26, 颗粒圆整。但稀土含量继续增大时, 宽径比随之增大, 这主要是由于组织中出现了如图 5(e), (f)中细长的针状Al3Er相。

图 7 不同Er含量对共晶Si宽径比的影响 Fig. 7 Effect of Er content on the aspect ratio of eutectic Si
图选项
2.3 稀土Er对A356铝合金力学性能的影响

图 8为不同Er含量下A356铝合金的力学性能。从图 8可以看出, 未添加Er的A356合金, 其抗拉强度仅为147.3MPa, 伸长率为4.7%;随着稀土Er的增加, 材料的抗拉强度和伸长率逐渐增加。当Er添加量增加到0.4%时, 合金抗拉强度达到最大值169.5MPa, 提高了15.1%, 伸长率提高了29.8%。但当Er含量超过0.4%时, 抗拉强度和伸长率稍有下降, 这是由于α-Al晶粒尺寸有所增大, 共晶硅形貌较之前有所变差(宽径比增大), 导致合金的力学性能有所下降。综合分析可知, 当稀土元素Er含量为0.4%时, A356合金的综合性能较优。

图 8 不同Er含量对A356铝合金力学性能的影响 Fig. 8 Effect of Er content on the mechanical properties of A356 aluminum alloys
图选项
2.4 分析与讨论

A356铝合金在凝固过程中首先析出α-Al相, 由于稀土Er原子半径比α-Al大, 在α-Al中固溶度有限, 因此在凝固过程中, 稀土原子不断在固液界面的凝固前沿上富集, 引起成分过冷, 这种表面富集的稀土元素层降低了α-Al的生长速率, 阻碍其生长, 减小了二次枝晶间距, 细化了晶粒。当稀土Er加入到铝熔体中, 形成Al-Al3Er共晶体, 共晶温度为655℃, 大于A356的液相线温度615℃, 当铝熔体开始凝固时, 共晶体Al-Al3Er中的α-Al成为结晶的晶核, 从而起到细化晶粒和二次枝晶的作用[15]。

随着凝固过程不断进行, 稀土Er元素在析出的硅相前沿形成成分过冷, 吸附在硅相的生长孪晶上, 抑制了硅相的原生长方向, 使得生长方向发生改变[16]。吸附在硅相孪晶沟槽中的稀土原子并不全部随固液界面的推移而推移, 而是有一部分嵌入硅相晶格中成为异类原子缺陷, 引起晶格畸变。这种畸变会使硅在更多的方向产生孪晶, 使共晶硅由粗大的板条状转变为细小的圆粒状、短棒状, 具有明显的变质作用。由于稀土Er元素阻碍了硅相的生长, 引起共晶硅产生多重孪晶, 孪晶数量的增加使硅的尺寸发生变化, 板片状硅晶体变成短棒状共晶硅, 达到变质效果[17-18]。

稀土Er在A356铝合金中主要分布在α-Al相和晶界处, 使枝晶组织和共晶硅相细化[19]。当稀土Er含量较低时, 元素Er主要固溶在基体中, 起固溶强化作用, 或是偏聚在晶界处, 对晶界起强化作用, 随着Er含量的增加, 合金中析出细小的Er相, 对合金起弥散强化作用, 当稀土Er含量高于0.4%后, 析出相随着Er含量的增加而长大, 并在晶粒内或晶界析出, 晶界的析出相导致晶界强度降低, 使合金的强度下降[20]。加入稀土Er后, α-Al相得到有效细化, 减小了二次枝晶间距, 同时粗大的硅相转变为细小的颗粒状, 对基体的割裂作用减小, 提高了拉伸性能。综上分析, 稀土Er含量在一定范围内能起到细化晶粒的作用, 以固溶强化、弥散强化的方式改善合金的性能, 当稀土Er含量为0.4%时, 对A356合金的细化效果较佳。

3 结论

(1) 稀土Er对A356合金中初生α-Al相有细化作用。加入Er后能使A356合金的α-Al分布均匀, 二次枝晶间距减小, 枝晶臂细化。二次枝晶间距从53.6μm减小到17.5μm。

(2) 稀土Er是A356合金的一种优良变质剂。稀土Er对A356合金中共晶Si的形态有变质作用, 共晶Si由粗大的针片状变为圆粒状、短棒状, 硅颗粒平均尺寸从22.7μm减小到5.7μm。

(3) 合适的稀土Er能够提高A356合金的力学性能。当Er含量为0.4%时, 合金抗拉强度和伸长率分别提高了15.1%和29.8%。但当继续增加Er含量时, 由于α-Al尺寸增大, 共晶硅宽径比增大, 导致合金的力学性能有所下降。对于A356合金而言, 合适的稀土Er含量为0.4%。

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稀土Er对A356铝合金微观组织和力学性能的影响
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