原標(biāo)題：Er和Zn對(duì)新型高強(qiáng)韌壓鑄Al-9Si-0.6Fe-0.2-Mn-0.2Mg合金組織和性能影響

Al-Si合金具有良好的流動(dòng)性，較小的收縮率和熱裂傾向等，得到廣泛應(yīng)用。壓力鑄造具有生產(chǎn)率高、鑄件精度高、尺寸穩(wěn)定等特點(diǎn)。基于優(yōu)質(zhì)高效低成本制造，對(duì)鑄態(tài)Al-Si系壓鑄合金的高強(qiáng)韌性能具有實(shí)際需求。生產(chǎn)工業(yè)消防管接頭中的轉(zhuǎn)動(dòng)環(huán)鑄件時(shí)需要綜合力學(xué)性能較好的壓鑄Al-Si合金，如抗拉強(qiáng)度大于240MPa，伸長(zhǎng)率大于4%。但是，目前相關(guān)合金伸長(zhǎng)率難以滿足要求。因此，研發(fā)新型的鑄態(tài)高強(qiáng)韌壓鑄Al-Si合金具有積極意義。

通過微合金化實(shí)施細(xì)化和變質(zhì)處理改性材料是提高壓鑄Al合金鑄態(tài)綜合力學(xué)性能的有效途徑。稀土元素通過異質(zhì)形核可以起到細(xì)化晶粒的效果，且高親和力的稀土元素可以在基體中與有害金屬或雜質(zhì)形成金屬化合物，有效清除基體中的缺陷，從而改善合金的綜合性能。稀土元素Er對(duì)鋁合金的性能有一定的影響。研究表明，Al-Mg合金的抗拉強(qiáng)度和伸長(zhǎng)率均隨Er含量增加呈現(xiàn)先升后降的趨勢(shì)，硬度則持續(xù)上升；Er也會(huì)使AA6061合金結(jié)構(gòu)中的稀土化合物和雜質(zhì)相的數(shù)量顯著增加，大大提高第二相的強(qiáng)化效果。此外，強(qiáng)化元素Zn能以固溶體的形式均勻地分布在基體中固溶強(qiáng)化合金。也有研究指出，當(dāng)Zn含量為1%時(shí)，合金組織中的共晶Si相會(huì)轉(zhuǎn)變?yōu)榧?xì)小纖維狀或顆粒狀，有效提高壓鑄Al-Si合金的性能，而對(duì)于添加Er及復(fù)合添加Er、Zn對(duì)Al-Si合金力學(xué)性能影響的研究則報(bào)道很少。

本課題組前期基于Al-Si合金常用元素、合金的流動(dòng)性及普通壓鑄防止粘模等因素正交試驗(yàn)組合得到一組基本合金成分Al-9Si-0.6Fe-0.2Mn-0.2Mg，但其綜合力學(xué)性能尚需進(jìn)一步提高。基于此，本研究通過單一添加不同含量Er元素和復(fù)合添加Er、Zn元素制備了Al-9Si-0.6Fe-0.2Mn-0.2Mg-X（X=0.2Er,0.4Er,0.6Er,0.4Er+1.5Zn）4種亞共晶Al-Si合金的普通壓鑄拉伸試棒（編號(hào)為Z1~Z4），研究其鑄態(tài)顯微組織和力學(xué)性能，旨在為鑄態(tài)高強(qiáng)韌壓鑄Al-Si合金的應(yīng)用提供參考。

圖文結(jié)果

原材料分別為工業(yè)純鋁（99.9%，質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同）、純鎂（99.9%）、純鋅（99.9%）、Al-20Si、Al-10Fe、Al-10Mn、Al-20Er、Al-5Ti和Al-10Sr中間合金。將稱量好的純鋁、Al-20Si、Al-10Fe和Al-10Mn原材料置于SG-30-10系列井式坩堝電阻爐內(nèi)的石墨坩堝中，加熱至750℃保溫一段時(shí)間直至加入的原材料全部熔化，再放入Mg或者Zn。為了防止Mg燒損，用鋁箔完全包裹Mg加入，待其熔化后，再依次加入Al-5Ti、Al-10Sr中間合金進(jìn)行細(xì)化、變質(zhì)處理，其中Sr、Ti的加入量分別為0.03%和0.05%；然后加入一定量的精煉劑除氣，靜置扒渣；采用DC280T臥式冷室壓鑄機(jī)進(jìn)行拉伸試棒制備，模具預(yù)熱溫度為280℃，試棒尺寸見圖1。采用WAW-10000萬能材料試驗(yàn)機(jī)對(duì)試棒進(jìn)行拉伸測(cè)試，拉伸速率為1.0mm/min，每種合金均取3根試棒測(cè)試，結(jié)果取平均值。在拉伸試樣端部取樣，對(duì)其進(jìn)行研磨拋光，采用體積分?jǐn)?shù)為0.5%的HF溶液腐蝕10 s后，使用Olympus-BHM363U金相顯微鏡對(duì)試樣的顯微組織進(jìn)行觀察，采用DigiVicher-1000A型維氏硬度計(jì)測(cè)其硬度，載荷為50N，保持15s，在區(qū)域內(nèi)隨機(jī)選擇10個(gè)不同位置進(jìn)行測(cè)量，取平均值。結(jié)合D/MAX-RB型X-ray衍射儀、JXA-8230型電子探針等對(duì)試樣的物相進(jìn)行檢測(cè)分析。

圖1 拉伸試樣尺寸

圖2 Z1~Z4壓鑄態(tài)合金的金相組織

圖3 Z2、Z4合金試樣XRD圖

圖4和圖5分別為Z2壓鑄態(tài)合金組織EPMA形貌圖、主要元素面掃描及相應(yīng)點(diǎn)的EDS能譜分析結(jié)果。可以看出，A點(diǎn)狹小細(xì)長(zhǎng)狀相主要由Al、Si、Fe以及少量Mn元素構(gòu)成，初步判斷其為β-Al5FeSi。此外，部分Mn元素會(huì)進(jìn)入到富Fe相中，促進(jìn)β-Al5FeSi相向團(tuán)塊狀α-AlSiMnFe相轉(zhuǎn)變。B點(diǎn)處的骨架狀相主要含Al、Si、Mn、Fe和Er元素，除去Mg元素的影響，初步判斷其為α-AlSiMnFe相。檢測(cè)出較高含量的Er元素，這是由于Er-Si原子間的親和力大于Fe-Si原子間的，因此，Al-Er-Si金屬間化合物比Al-Fe-Si更穩(wěn)定。在Al-9Si-0.6Fe-0.2Mn-0.2Mg合金中加入Er元素，部分Er將取代α-AlSiMnFe相中的Fe變成熔點(diǎn)更高、更穩(wěn)定的α-AlSiMnFeEr相，從而改變了富Fe相組成和晶界穩(wěn)定性。

圖4 壓鑄態(tài)Z2合金的EPMA形貌和EDS分析結(jié)果

圖5 主要元素面掃描

圖6 Z4合金的EPMA照片和EDS分析結(jié)果

從圖7可以看出，隨著稀土Er含量的增加，合金的硬度呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢(shì)。當(dāng)合金中添加0.2%的Er時(shí)，其硬度（HV）為74.7。添加0.4%的Er時(shí)，晶粒細(xì)化最明顯，第二相分布最均勻，合金的硬度（HV）達(dá)到了84.6，相比Z1合金提高了13.25%。當(dāng)Er含量繼續(xù)增加至0.6%時(shí)，硬度（HV）有所降低，為79.2。這是因?yàn)榧尤隕r元素會(huì)使得強(qiáng)化相Al3Er過量析出，促進(jìn)合金硬度的提高。另一方面，隨著Er含量增加，細(xì)化的晶粒出現(xiàn)了部分長(zhǎng)大的趨勢(shì)，含有Er的較大的第二相也將析出，削弱了晶粒細(xì)化效應(yīng)，從而降低了合金的硬度。

圖7 不同Er添加量合金的力學(xué)性能

圖8 Z2和Z4合金的力學(xué)性能

結(jié)論

相比于Z2合金，復(fù)合添加Er、Zn的Z4合金的抗拉強(qiáng)度（σb）、屈服強(qiáng)度（σ0.2）、伸長(zhǎng)率（δ）分別提高了22.96%、12.3%和50%。從微觀上看，Z4合金中加入1.5%的Zn對(duì)組織中相的細(xì)化起到了較為明顯的促進(jìn)作用，且生成了較多分布均勻的二次強(qiáng)化相，降低了對(duì)基體的割裂作用，使得合金的力學(xué)性能得到明顯提高。由于Zn的固溶強(qiáng)化及析出強(qiáng)化效應(yīng)，Z4合金的硬度較Z2合金提高了8.62%。此外，還可能是由于硬相的共晶Si分?jǐn)?shù)的增加，導(dǎo)致了較高的硬度值。綜上所述，復(fù)合添加Er、Zn的Z4合金表現(xiàn)出了更好的綜合力學(xué)性能，可以滿足轉(zhuǎn)動(dòng)環(huán)等鑄件的力學(xué)性能要求。

Al-9Si-0.6Fe-0.2Mn-0.2Mg-X（X=0.2Er、0.4Er、0.6Er，0.4Er+1.5Zn，%）合金中主要物相包括α-Al、共晶Si、Al3Er、Mg2Si及富Fe相（α-AlSiMnFe和β-Al5FeSi）。復(fù)合添加0.4%的Er+1.5%的Zn合金中，除以上物相以外，合金中還會(huì)產(chǎn)生α-AlMgZn相。

本文作者：

范曉明 馬琳霞 呂曉剛
武漢理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院
盧曉斌 黃剛福
高安市璐克斯機(jī)械有限公司

本文來源：《特種鑄造及有色合金》雜志