Sr變質(zhì)對(duì)Al-13.0Si-4.5Cu-1.0Mg-2.0Ni合金組織和性能的影響

李 燦，雷 遠(yuǎn)

合肥工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，安徽 合肥 230009

鑄造鋁合金在現(xiàn)代生產(chǎn)和生活中應(yīng)用普遍，其產(chǎn)量占到全世界鋁制品需求總量的40%左右[1].其中Al-Si系合金因鑄造性能良好、熱穩(wěn)定性高、耐磨性強(qiáng)及熱膨脹系數(shù)低等優(yōu)點(diǎn)，普遍用于制造活塞零件[2-3].典型的共晶Al-Si合金有Al-12Si-2Cu-1Mg(ZL108)和Al-12Si-2Cu-1Mg-1Ni(ZL109)[4].隨著發(fā)動(dòng)機(jī)不斷發(fā)展，對(duì)共晶Al-Si活塞合金性能的要求也越來越高.為改善Al-Si合金中初晶Si和共晶Si的大小及形貌，獲得較好的力學(xué)性能，長(zhǎng)期以來人們一直釆用變質(zhì)處理技術(shù)[5-6].通過添加Ce元素對(duì)Al-17%Si進(jìn)行變質(zhì)處理，發(fā)現(xiàn)加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)1.0% Ce能夠同時(shí)細(xì)化初晶Si和變質(zhì)共晶Si，使合金的室溫抗拉強(qiáng)度顯著提高[7].通過研究Sr變質(zhì)對(duì)Al-6Si-3Cu-0.3Mg合金共晶Si形貌的影響，發(fā)現(xiàn)當(dāng)Sr質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.04%時(shí)，可有效細(xì)化共晶Si組織，熱處理后使共晶Si顆粒球化充分，且分布均勻、彌散；當(dāng)Sr質(zhì)量分?jǐn)?shù)增至0.06%時(shí)，會(huì)明顯增加共晶組織周圍的多邊形含Sr化合相，導(dǎo)致合金的室溫性能降低[8].在ZL114A合金中添加Sr元素后發(fā)現(xiàn)，隨著Sr含量增加，共晶Si顆粒變得細(xì)小，合金室溫性能逐漸提高；當(dāng)Sr添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.03%時(shí)，合金變質(zhì)充分且性能最佳，其T6熱處理態(tài)室溫抗拉強(qiáng)度可達(dá)316.5 MPa[9].Sr作為變質(zhì)劑雖然有諸多優(yōu)點(diǎn)，但是作為一種較活潑的變質(zhì)元素，其含量的增加會(huì)增加合金的吸氣量，同時(shí)過量的Sr會(huì)形成含Sr化合物，分布在共晶組織內(nèi)，降低合金的性能[7,10].因此，合理的Sr添加量對(duì)提高Al-Si-Cu-Mg-Ni合金的室溫拉伸性能非常重要[11].

本文通過研究Sr添加量對(duì)二元共晶Al-Si合金組織的影響，獲得最佳變質(zhì)Sr量.然后對(duì)Al-13.0Si-4.5Cu-1.0Mg-2.0Ni合金進(jìn)行變質(zhì)處理，再經(jīng)T6熱處理后，測(cè)試其室溫和高溫(300℃)下的力學(xué)性能，以期在保證合金高溫使用性能的同時(shí)，室溫性能得到提高，為實(shí)際生產(chǎn)提供參考.

1 試驗(yàn)部分

1.1 試驗(yàn)材料及方法

試驗(yàn)原料為工業(yè)純鋁、純Mg、Al-20%Si中間合金、Al-50%Cu中間合金和Al-10%Ni中間合金.本試驗(yàn)先以二元共晶Al-20%Si合金為研究對(duì)象，獲得最佳變質(zhì)處理工藝，其中變質(zhì)劑為Al-10%Sr中間合金，精煉劑為C2Cl6.在質(zhì)量分?jǐn)?shù)0～0.08%范圍添加Sr，對(duì)Al-13.0Si-4.5Cu-1.0Mg-2.0Ni合金進(jìn)行變質(zhì)研究.試驗(yàn)中用石墨坩堝電阻爐熔煉合金，在鐵模中澆鑄成錠.鑄錠冷卻后進(jìn)行510℃×6h固溶(水淬)+185℃×6h時(shí)效(T6)熱處理.Al-13.0Si-4.5Cu-1.0Mg-2.0Ni合金成分列于表1.

表1 試驗(yàn)合金成分

1.2 性能測(cè)試

對(duì)二元共晶Al-Si合金鑄態(tài)試樣及T6態(tài)Al-13.0Si-4.5Cu-1.0Mg-2.0Ni合金試樣進(jìn)行粗磨，細(xì)磨，待試樣表面無明顯劃痕時(shí)進(jìn)行拋光；拋光后用蒸餾水沖洗，再用氫氟酸腐蝕劑對(duì)樣品進(jìn)行腐蝕，然后采用臥式金相顯微鏡對(duì)腐蝕后試樣進(jìn)行顯微組織觀察.采用鎢燈絲掃描電鏡對(duì)Al-13.0Si-4.5Cu-1.0Mg-2.0Ni鑄態(tài)合金Si形貌進(jìn)行觀察分析，采用附帶加熱爐微機(jī)電子萬能材料試驗(yàn)機(jī)對(duì)T6態(tài)合金試樣進(jìn)行室溫及高溫拉伸性能測(cè)試，按照GBT228-2002標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)拉伸試樣.不同Sr添加量的合金均澆注3根試樣，最終結(jié)果取3個(gè)試樣測(cè)試的平均值.

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 Sr變質(zhì)對(duì)二元共晶Al-Si合金組織的影響

添加不同Sr量的二元共晶Al-Si合金的組織如圖1所示.從圖1可看出，Sr元素對(duì)合金組織變質(zhì)作用顯著.圖1(a)為未加Sr變質(zhì)的共晶Al-Si合金組織，α-Al相和Si相呈典型共生生長(zhǎng)狀態(tài).Sr質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.02%時(shí)，合金組織無明顯變化[圖1(b)].當(dāng)Sr質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加到0.04 %[圖1(c)]時(shí)，組織中出現(xiàn)大量細(xì)小蠕蟲狀共晶Si，雖仍有一定數(shù)量長(zhǎng)針狀共晶Si，但其長(zhǎng)度明顯變短.繼續(xù)增加Sr質(zhì)量分?jǐn)?shù)至0.06%[圖1(d)]時(shí)，蠕蟲狀共晶Si變得更加細(xì)小，且僅有極少量針狀共晶Si存在，同時(shí)出現(xiàn)少量α-Al晶粒.當(dāng)添加Sr質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到0.08%[圖2(e)]時(shí)，共晶Si仍然以細(xì)小的蠕蟲狀形式存在，但是α-Al晶粒明顯長(zhǎng)大,組織中出現(xiàn)了孔洞.共晶Si的形貌、大小和分布顯著影響合金力學(xué)性能，粗大的α-Al晶粒和孔洞會(huì)惡化合金室溫力學(xué)性能[12].綜上所述，添加Sr質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.06%時(shí)，二元共晶Al-Si合金可獲得最佳變質(zhì)效果.

圖1 添加不同Sr量的共晶Al-Si合金組織(a)不加Sr；(b)w(Sr)=0.02%；(c)w(Sr)=0.04% ；(d)w(Sr)=0.06% ；(e)w(Sr)=0.08%Fig.1 Microstructures of eutectic Al-Si alloys with adding different Sr content(a)Without Sr；(b)w(Sr)=0.02%；(c)w(Sr)=0.04% ；(d)w(Sr)=0.06% ；(e)w(Sr)=0.08%

2.2 Sr變質(zhì)對(duì)Al-13.0Si-4.5Cu-1.0Mg-2.0Ni合金組織和性能的影響

當(dāng)添加Sr質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.04%和0.06%時(shí)，對(duì)應(yīng)的Al-13.0Si-4.5Cu-1.0Mg-2.0Ni合金的力學(xué)性能列于表2.由表2可知，當(dāng)合金中添加的Sr質(zhì)量分?jǐn)?shù)由0.04%增加到0.06%時(shí)，合金的室溫抗拉強(qiáng)度由290 MPa提高到305 MPa，提高了15 MPa，而高溫抗拉強(qiáng)度略微降低，由132 MPa下降到128 MPa，降了4 MPa.

表2Sr添加量為0.04%和0.06%合金力學(xué)性能

Table2Mechanicalpropertiesofalloyswithadding0.04%Srand0.06%Sr

Sr質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%熱處理態(tài)室溫抗拉強(qiáng)度/MPa高溫抗拉強(qiáng)度/MPa0.04T62901320.06T6305128

圖2為添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.04%和0.06% Sr時(shí)鑄態(tài)合金Si形貌的掃描照片.由圖2(a)和圖2(b)可看出，經(jīng)0.06%Sr變質(zhì)后，共晶Si明顯更加細(xì)小，且分枝更多，共晶Si球化程度提高.經(jīng)T6熱處理后，共晶Si進(jìn)一步球化，分布更加均勻、彌散，如圖3所示.因此，合金的室溫抗拉強(qiáng)度進(jìn)一步提高.合金的高溫(300℃)抗拉強(qiáng)度降低，是因?yàn)楣簿i球化程度提高，其尺寸和表面比進(jìn)一步下降.

圖3 Sr添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.04%和0.06%時(shí)T6態(tài)合金組織Fig.3 Microstructures of alloys adding 0.04% Sr and 0.06% Sr after T6 treatment (a)w(Sr)=0.04%；(b)w(Sr)=0.06%

3 結(jié) 論

(1)隨著Sr添加量的增加，二元共晶Al-Si合金組織Si相細(xì)化程度越來越高，其形貌由長(zhǎng)針狀逐步變成細(xì)小蠕蟲狀；當(dāng)Sr含量過高時(shí)，合金組織中出現(xiàn)粗大α-Al晶粒和孔洞.Sr添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.06 %時(shí)，二元共晶Al-Si合金的變質(zhì)效果最佳.

(2)添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.06 %Sr的Al-13.0Si-4.5Cu-1.0Mg-2.0Ni合金經(jīng)T6熱處理后，合金的室溫抗拉強(qiáng)度由添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.04 %Sr的290 MPa提高到添加0.06% Sr的305 MPa，主要是因?yàn)楣簿i球化程度更高，且分布更加均勻彌散.合金高溫抗拉強(qiáng)度(300℃)由132 MPa下降到128 MPa，是由共晶Si尺寸和表面比進(jìn)一步下降所致.在Al-13.0Si-4.5Cu-1.0Mg-2.0Ni合金中添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.06 %Sr，既可以保證合金的高溫使用性能，同時(shí)室溫性能得到提高.