Sr變質(zhì)對(duì)ADC12組織及性能的影響

熊俊杰，閆　洪，揭小平

(1. 南昌大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院；南昌 330031; 2. 南昌市輕合金材料制備與加工重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 南昌 330031)

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Sr變質(zhì)對(duì)ADC12組織及性能的影響

熊俊杰1,2，閆洪1,2，揭小平1,2

(1. 南昌大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院；南昌 330031; 2. 南昌市輕合金材料制備與加工重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 南昌 330031)

采用金相顯微鏡、掃描電鏡、差熱分析等手段，研究了不同含量的Sr變質(zhì)對(duì)ADC12合金顯微組織和力學(xué)性能的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，Sr的加入降低了該合金的共晶溫度，較大程度地改善了合金的組織及性能。當(dāng)加入0.05%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))的Sr時(shí)，組織中的α-A1相和共晶硅相均得到了明顯的細(xì)化，樹枝狀的初生α-A1相已基本被打斷，晶核數(shù)量增多，形貌為近球狀，尺寸變得更加細(xì)小，而共晶硅相則呈細(xì)小彌散分布的纖維狀，此時(shí)合金的綜合力學(xué)性能較佳，其抗拉強(qiáng)度達(dá)到269.54 MPa，延伸率達(dá)到3.21%，分別比基體合金提高了47.48%和65.46%，并且合金材料斷口上解理面變少，韌窩數(shù)量增加，形貌變小、變深，分布也較為均勻，表現(xiàn)為明顯的韌性斷裂。

Sr變質(zhì)； ADC12合金；顯微組織；力學(xué)性能；差熱分析

0　引　言

鋁合金具有密度小、比強(qiáng)度高、成形性好、易于回收利用等優(yōu)點(diǎn)，因而在國民經(jīng)濟(jì)中得到了較為廣泛的應(yīng)用。作為一種Al-Si-Cu系合金[1-2]，ADC12因其優(yōu)越的性能而被廣泛應(yīng)用于汽車工業(yè)領(lǐng)域。但是，合金組織中粗大的α-Al樹枝狀枝晶，大塊狀、長針狀的Si相等其它粗大的金屬間化合物卻較大程度地降低了合金的力學(xué)性能[3]。研究表明，在鋁合金中添加少量的變質(zhì)劑(如Na、K、Ba、RE等元素)不僅能達(dá)到較好的細(xì)化和變質(zhì)效果，還具有凈化熔體和除氣的作用[4-5]。因此，選用變質(zhì)元素來改善鋁合金的組織和性能具有重要意義，目前在這一方面的研究取得了較大進(jìn)展。Qiu等[6]向Al-7Si-0.7Mg合金中添加了Sm，研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)添加0.6%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))Sm時(shí)，晶粒形貌變得較為圓整，尺寸更加細(xì)小，硅相也得到了一定程度的細(xì)化，抗拉強(qiáng)度和延伸率較基體合金分別提高了17.5%和94.1%。李飛龍等[7]研究了 Na-Ba復(fù)合元素對(duì)改良后的鑄造鋁硅合金組織及性能的影響，結(jié)果表明，Na-Ba復(fù)合變質(zhì)效果好，持續(xù)時(shí)間長，而且沒有潛伏期。段海麗等[8]研究了La對(duì)A356鋁合金的變質(zhì)效果及變質(zhì)機(jī)理，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，當(dāng)添加1.0%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))La時(shí)，組織中的共晶硅呈細(xì)小顆粒狀，當(dāng)變質(zhì)劑原子半徑與硅原子半徑之比接近1.65時(shí)，變質(zhì)劑變質(zhì)作用具有長效性。而Sr是一種較為理想的變質(zhì)材料[9-10]，故本文以Al-10%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))Sr中間合金的形式添加至ADC12鋁合金中，研究了不同含量的Sr對(duì)該合金組織和性能的影響。

1　實(shí)驗(yàn)材料與制備工藝

實(shí)驗(yàn)采用Al-10%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))Sr中間合金來變質(zhì)ADC12鋁合金(其成分見表1)。具體工藝如下：將一定質(zhì)量的ADC12鋁合金錠放入石墨坩堝中過熱至750 ℃使鋁塊完全熔化，接著用六氯乙烷精煉、除渣，然后加入小塊的Al-Sr中間合金，其中Sr的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%，配成不同Sr加入量的變質(zhì)鋁合金(0%，0.01%，0.05%，0.09%Sr)，接著隨爐升溫至770 ℃再保溫25 min，隨后降溫至720 ℃澆注至預(yù)熱溫度為200～300 ℃的金屬型模具中，待冷卻后從鑄錠下部取樣。金相試樣使用體積分?jǐn)?shù)為0.5%的HF溶液進(jìn)行腐蝕。用帶有能譜儀(EDS)的Quanta 200型掃描電鏡(SEM)對(duì)合金組織、成分進(jìn)行觀察和分析，利用OLYMPUS PMG-3金相顯微鏡觀察試樣的組織形貌。

表1　ADC12鋁合金錠化學(xué)成分(%,質(zhì)量分?jǐn)?shù))

2　實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.1鑄態(tài)組織

圖1為不同Sr加入量對(duì)ADC12鋁合金顯微組織的影響，組織中白色的為α-Al相，深黑色的為Si相。從圖1可以看出，圖1(a)中晶粒沒有顯現(xiàn)出較為清晰的輪廓，α-Al相也比較粗大且呈無規(guī)則狀分布。當(dāng)加入0.01%Sr后，晶粒輪廓變得清晰起來，形貌趨于圓整，尺寸也得到相應(yīng)的細(xì)化，見圖1(b)。當(dāng)Sr加入量增至0.05%時(shí)，α-Al相輪廓變得愈加清晰，α-Al相形貌較為圓整，晶粒數(shù)量顯著增加，尺寸也變得更加細(xì)小，見圖1(c)。當(dāng)加入0.09%Sr后，雖然α-Al相輪廓較清晰，形貌也趨于圓整，尺寸也較為細(xì)小，但沒有Sr含量為0.05%時(shí)的細(xì)化效果好。此外，從圖1(a)中可以看出，基體合金組織中共晶硅相主要呈粗大板條狀、大塊狀、長針狀，排列也不太規(guī)則，這些硅相會(huì)使合金鑄件在受力變形時(shí)割裂基體,從而降低鑄件的力學(xué)性能。當(dāng)Sr加入量為0.01%時(shí)，共晶硅相得到一定程度的細(xì)化，形貌呈細(xì)小塊狀，短棒狀、顆粒狀，如圖1(b)所示。當(dāng)加入0.05%Sr后，共晶硅相分布較為均勻，形貌已完全變?yōu)榧?xì)小纖維狀，此時(shí)已達(dá)到良好的變質(zhì)效果，如圖1(c)所示。當(dāng)Sr加入量增至0.09%時(shí)，共晶硅相形貌則變?yōu)槎贪魻?、顆粒狀、部分纖維狀，變質(zhì)效果沒有Sr加入量為0.05%時(shí)的好。綜上可知，Sr 能夠明顯細(xì)化ADC12鋁合金組織中的α-Al相及共晶硅相，當(dāng)Sr的添加量為0.05%時(shí)效果較佳。

圖1　不同Sr加入量時(shí)ADC12合金的鑄態(tài)顯微組織

2.2富Sr金屬間化合物的SEM及EDS

當(dāng)變質(zhì)元素Sr加入到ADC12合金時(shí)，富含Sr元素的金屬間化合物將在熔體中生成。圖2為Sr添加量為0.09%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))時(shí)ADC12合金的SEM-EDS顯微照片。圖中呈短棒狀且?guī)Я辽鉂傻南酁楦籗r金屬間化合物，見圖2(a)。 圖2(b)-(e)則分別顯示了Al、Si、Sr、Cu 4種元素在該區(qū)域內(nèi)的分布狀況。從圖中可以看出，Si和Sr元素主要分布在富Sr金屬間化合物區(qū)域，Al元素在該區(qū)域內(nèi)分布則較少，而Cu元素在整個(gè)面區(qū)域分布則較為均勻，因此，可推斷Sr主要與Si元素反應(yīng)結(jié)合生成了Sr-Si金屬間化合物。

2.3差熱分析

圖3為在升溫速率為10 ℃/min時(shí)變質(zhì)鋁合金的差熱分析(DTA)曲線，特定的反應(yīng)峰代表某一特點(diǎn)物相的轉(zhuǎn)變。由圖可知，在每個(gè)試樣的加熱曲線中都存在著一個(gè)較寬的吸熱峰，該峰被認(rèn)為是合金的共晶溫度。變質(zhì)前，對(duì)應(yīng)的曲線峰值溫度為570.4 ℃；加入0.01%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))Sr后，該峰對(duì)應(yīng)的溫度有略微的降低，變?yōu)?68.2 ℃；當(dāng)加入0.05%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))Sr后，對(duì)應(yīng)的曲線峰值溫度降為566.7 ℃，與變質(zhì)前相比，峰值溫度下降幅度較大，達(dá)到3.7 ℃；當(dāng)加入0.09%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))Sr后，溫度降為567.9 ℃，峰值溫度下降幅度有所降低。由此可知，在添加Sr的ADC12合金中，合金的共晶溫度出現(xiàn)了下降的趨勢(shì)，結(jié)合前面的鑄態(tài)組織分析可知共晶溫度低是變質(zhì)良好合金所具備的一個(gè)特征，這也佐證了H.S.Kang[11]和K.Nogita[12]等的研究成果。

圖2　Sr添加量為0.09%(質(zhì)量分?jǐn)?shù)) 時(shí)ADC12合金中富鍶金屬間化合物的SEM-EDS顯微照片

Fig 3 DTA curves of ADC12 alloys with different Sr additions

2.4力學(xué)性能

圖4所示為室溫下不同Sr添加量對(duì)ADC12合金力學(xué)性能的影響。

圖4　不同Sr加入量時(shí)ADC12合金的力學(xué)性能

Fig 4 The tensile properties of as-cast ADC12 alloys with different additions of Sr at room temperature

由圖4可知，經(jīng)Sr變質(zhì)處理的合金其力學(xué)性能優(yōu)于未經(jīng)變質(zhì)處理的合金。當(dāng)加入0.01%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))Sr后，組織中的初生α-Al相、共晶硅相均得到了一定程度的細(xì)化，抗拉強(qiáng)度為237.72 MPa，延伸率為2.65%，分別比基體合金提高了30.07% 和36.60%；當(dāng)加入0.05%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))Sr后，組織細(xì)化更加明顯，此時(shí)合金的力學(xué)性能較佳，抗拉強(qiáng)度達(dá)到269.54 MPa，延伸率達(dá)到3.21%，分別比基體合金提高了47.48% 和65.46%；當(dāng)Sr加入量增至0.09%時(shí)，組織細(xì)化效果減弱，抗拉強(qiáng)度為240.68 MPa，延伸率為2.73%，分別比基體合金提高了31.69%和40.72%。

2.5斷口掃描

圖5為不同Sr加入量下ADC12鋁合金的室溫拉伸斷口SEM形貌。由圖5(a)可以看出，未變質(zhì)時(shí)，整個(gè)拉伸斷口上分布著較多不規(guī)則的脆性平坦區(qū)及一些撕裂棱，韌窩特征不明顯，其斷裂方式表現(xiàn)為準(zhǔn)解理斷裂，因而導(dǎo)致材料力學(xué)性能的降低。而Sr的加入使得斷口上的解理面減少，韌窩數(shù)量逐漸增加，解理型斷裂特征逐漸減弱，呈現(xiàn)較為明顯的韌窩型斷裂特征，見圖5(b)和(c)。從圖5(b)中可以看出，當(dāng)添加0.05%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))Sr時(shí)，韌性斷裂特征更為明顯，韌窩數(shù)量較多，形貌變小、變深，分布也較為均勻，這將較大程度地提高材料的力學(xué)性能。這表明變質(zhì)后的鋁合金室溫拉伸斷口形貌分析結(jié)果與其力學(xué)性能變化趨勢(shì)是一致的。

圖5　不同Sr加入量時(shí)ADC12合金的室溫拉伸斷口SEM形貌

3　分析與討論

Sr能細(xì)化合金中的初生α-Al相，使其晶核數(shù)量增加。根據(jù)Kolmogorov、 Johnson、 Mehl 和 Avrami 提出的KJMA 晶粒長大模型[13]，假設(shè)在合金的熔化凝固過程中，在同一時(shí)間內(nèi)形成N個(gè)半徑為R的球形晶粒，其中N為單位體積所具有的晶核數(shù)，并且考慮到凝固終了階段晶粒間的接觸因素，則在時(shí)間t時(shí)熔體中的固相率fs可表示為

(1)

(2)

(3)

(4)

在式(2)中，k為常數(shù)，由晶核的形貌決定；形核率n和晶核生長速率vg的大小決定了晶核數(shù)量的多少。當(dāng)適量的Sr加入到熔體中時(shí)，共晶溫度的下降將導(dǎo)致合金熔體中過冷度ΔT的提高。熔體在凝固時(shí)，較大的過冷度將促進(jìn)初生相α-A1的形核和長大，然而，由式(3)和(4)可以看出，形核率n的增長速率大于晶核生長速率vg的增長速率，最終導(dǎo)致合金中α-A1的晶核數(shù)量增多、尺寸變小。當(dāng)添加0.05%的Sr時(shí)，晶粒細(xì)化效果較好，當(dāng)Sr的添加量增至0.09%時(shí)，共晶溫度降低幅度變小，晶粒細(xì)化效果減弱。

此外，Sr是典型的吸附類變質(zhì)元素[14]，對(duì)合金組織中的共晶硅相有著良好的變質(zhì)作用。根據(jù)Hume-Rothery原則[15]，溶質(zhì)和溶劑的原子半徑相對(duì)差大于15%時(shí)，合金體系中只能形成低固溶度的固溶體。而Sr的原子半徑為0.215 nm，溶劑Al的原子半徑為0.143 nm，兩者之間的原子半徑相對(duì)差約為50.35%，因此Sr進(jìn)入初生相α-Al晶格內(nèi)的概率較低，大部分富集在晶界處，從而導(dǎo)致成分過冷,促發(fā)共晶硅的復(fù)合孿晶產(chǎn)生，孿晶表面也存在一些原子級(jí)臺(tái)階或犁溝[16]，Sr富集使得原子大量的吸附在這些原子級(jí)臺(tái)階或犁溝上，從而封閉了硅相及其孿晶表面的原子級(jí)臺(tái)階或犁溝，達(dá)到細(xì)化效果。另外，Sr變質(zhì)元素原子的吸附也將引起硅相孿晶邊界能的降低，當(dāng)合金中Sr的添加量為0.01%時(shí)，共晶硅相主要以細(xì)小短棒狀、小塊狀、顆粒狀形態(tài)生長，這可能是因?yàn)楣簿н^冷度還較小，且孿晶邊界能還較大，這時(shí)產(chǎn)生孿晶的機(jī)率較小。當(dāng)合金中Sr的添加量增至0.05%時(shí)，共晶過冷度增大，使得由溶質(zhì)原子產(chǎn)生的成分過冷達(dá)到最優(yōu)值，固液界面相對(duì)比較穩(wěn)定，同時(shí)孿晶邊界能降低，產(chǎn)生孿晶的概率增大，孿晶行為更易發(fā)生，導(dǎo)致硅相在更多的方向上生長，使得硅相產(chǎn)生彎折、分叉，硅相形態(tài)向纖維化轉(zhuǎn)變。由于Sr的變質(zhì)能力較強(qiáng)，當(dāng)Sr的加入量達(dá)到0.09%時(shí)，硅相形貌由纖維狀變?yōu)榱思?xì)小顆粒狀及塊狀，這可能是因?yàn)榇藭r(shí)溶質(zhì)原子產(chǎn)生的成分過冷偏離了最佳狀態(tài)，從而破壞了固液界面的穩(wěn)定，組織向著過變質(zhì)狀態(tài)轉(zhuǎn)變，開始出現(xiàn)團(tuán)聚和長大的趨勢(shì)。

綜上可知，Sr的加入對(duì)ADC12合金中初生α-Al相及共晶硅相的形貌、分布、尺寸具有較大的影響。Sr的加入較大程度地改善了合金組織，而良好的組織又大大提高了合金的力學(xué)性能。

4　結(jié)　論

(1)ADC12合金中加入適量的Sr能使其組織得到較大程度的細(xì)化。當(dāng)加入0.05%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))Sr時(shí)，組織中的α-A1相和共晶硅相均得到了明顯的細(xì)化，樹枝狀的初生α-A1相已基本被打斷，晶核數(shù)量增多，形貌為近球狀，尺寸變得更加細(xì)小，而共晶硅相則呈細(xì)小彌散分布的纖維狀。

(2)差熱分析結(jié)果表明，加入Sr后，ADC12合金的共晶溫度有所下降。當(dāng)加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.05%的Sr后，合金的共晶溫度降低了3.7 ℃，從而使共晶硅相的結(jié)晶過冷度增大，促進(jìn)變質(zhì)作用。

(3)Sr的加入能顯著提高合金的力學(xué)性能。當(dāng)添加0.05%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))的Sr時(shí)，合金具有良好的綜合力學(xué)性能，其抗拉強(qiáng)度達(dá)到269.54 MPa，延伸率達(dá)到3.21%，分別比基體合金提高了47.48% 和 65.46%，并且合金材料斷口上解理面變少，韌窩數(shù)量增加，形貌變小、變深，分布也較為均勻，表現(xiàn)為明顯的韌性斷裂。

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Effect of Sr modification on structures and properties of ADC12

XIONG Junjie1,2, YAN Hong1,2, JIE Xiaoping1,2

(1. School of Mechanical and Electrical Engineering,Nanchang University, Nanchang 330031,China;2. Key Laboratory of Light Alloy Preparation & Processing in Nanchang City, Nanchang 330031,China)

Microstructures and mechanical properties of ADC12 alloy with different Sr additions were studied by optical microscopy, scanning electron microscopy and thermal analysis in this article. The experiment results show that the addition of Sr not only caused a depression of eutectic temperature but also improved microstructure and property of the alloy. α-Al and eutectic silicon phases could be refined significantly when 0.05wt% Sr was added to the alloy. And it was found that Sr was capable of breaking down the primary α-A1 phases, giving rise to an increment in the number of crystalline grains, the morphology of crystalline grains became mainly near-spherical shape, the size was tended to be finer, the morphology of eutectic silicon phases was fibrous. under the circumstance, comprehensive mechanical properties of ADC12 alloy were better, the tensile strength and elongation reached 269.54 MPa and 3.21% respectively, increased by 47.48% and 65.46% than those of the matrix respectively, and cleavage surfaces of the alloy were lessened, the dimples were increased in quantity, diminished in size, deepened in the morphology, the characteristic of ductile fracture was obvious.

Sr modification; ADC12 alloy; microstructure; mechanical properties; thermal analysis

1001-9731(2016)08-08104-05

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51364035)；教育部高等學(xué)校博士學(xué)科點(diǎn)專項(xiàng)科研基金聯(lián)合資助課題資助項(xiàng)目(20133601110001)；江西省教育廳落地計(jì)劃資助項(xiàng)目(KJLD14003)；黨外專家博士產(chǎn)學(xué)研合作計(jì)劃資助項(xiàng)目(2012-CYH-DW-XCL-002)

2015-01-15

2015-12-01 通訊作者：閆洪，E-mail: yanhong_wh@163.com

熊俊杰(1988-)，男，江西宜春人，在讀碩士，師承閆洪教授，從事新材料制備與成形技術(shù)研究。

TG146.2

A

10.3969/j.issn.1001-9731.2016.08.017