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铸造A356.2(Sc,La)铝合金研究  PDF

  • 闫洪
  • 张辉
  • 杨祖贵
昆明冶金研究院有限公司,中铝集团中央研究院昆明分院,昆明 650031

中图分类号: TG146.2

最近更新:2022-06-27

DOI:10.12044/j.issn.1007-2330.2022.03.008

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摘要

采用铸造工艺制备了A356.2(Sc,La)铝合金,测试分析了稀土元素Sc和La对铝合金中共晶硅的细化作用及对合金力学性能的影响。结果表明,单独添加稀土元素La对A356.2(La)铝合金中的共晶硅有一定的细化作用,但对力学性能的改善作用不大。而含有两种稀土元素0.38%Sc+0.14%La的A356.2(Sc,La)铝合金中的共晶硅细化作用较好和力学性能更高,其共晶硅细化到2.3 μm,抗拉强度和伸长率分别达到181.6 MPa和4.0%。稀土Sc和La对共晶硅的细化作用主要是弥散强化和细晶强化共同作用的结果,这两种强化与铝合金中析出的Al3Sc相和稀土La相有关。

0 引言

在铝合金中加入稀土元素,不仅具有变质处理的作用,而且还能提高力学性

1-2。为了改善铝合金的使用性能,扩大其应用范围,通过稀土合金化技术对铝合金进行处理,取得了较好的效果。由于单独添加稀土La对铝合金的力学性能提高不大,而且Sc的成本较高,因此,通过两种稀土元素Sc和La的添加,不仅减少了Sc的加入量,降低成本,而且显著细化了共晶硅,使合金的力学性能得到较大提高。目前国内对稀土铝合金的研究主要集中在添加单一稀土方3~8,而对添加两种稀土元素的铸造A356.2(Sc、La)铝合金未见相关报道。本文通过加入两种稀土元素Sc和La,形成了铸造A356.2(Sc、La)铝合金,并对其组织和力学性能进行分析,为优化工艺提供理论和试验依据。

1 实验

实验用材料为A356.2铝合金,稀土元素Sc和La分别以Al-2.01%Sc及Al-9.62%La中间合金的形式加入。将A356.2铝合金放入石墨坩埚电阻炉中,温度升到740℃,待A356.2铝合金完全熔化后,扒渣,放入Si并搅拌熔体,然后升温到790℃,加入Al-9.62%La中间合金,搅拌熔体1 min,保温15 min,降温到740℃,加入Al-1.98%Sc中间合金进行熔化,搅拌熔体,使合金成分均匀,降温到725℃,通入高纯氮气进行精炼,扒渣,静置后,浇入已经预热到310℃的铸铁模具中,取出试样,水淬,制备成A356.2(Sc、La)铝合金,其化学成分见表1。试验中,稀土Sc含量0.38wt%,稀土La含量0.14wt%,并进行了对比试验。金相组织分析在AxioimagerA2m型研究级智能数字材料显微镜上进行,合金的抗拉强度和伸长率用CMT5105型电子万能试验机测定,采用Quanta 600型扫描电镜和Genesis型能谱仪进行显微观察和能谱分析,用EMPYREAN型X射线衍射仪对合金物相进行分析。

表1  铸造A356.2(Sc、La)铝合金的化学成分
Tab.1  Chemical composition of cast A356.2 (Sc, La) aluminum alloy ( wt% )
SiMgTiScLaAl
6.89 0.24 0.15 0.38 0.14 余量

2 结果及分析

2.1 铸造A356.2(Sc、La)铝合金的相组成

由铝合金XRD分析测试结果(图1)可知,,Al3Sc相衍射峰很微弱,析出的Al3Sc相比较细小,说明稀土La的添加阻止了Al3Sc相的形成和析出。

图1  铸造A356.2(Sc、La)铝合金的XRD图谱

Fig. 1  XRD pattern of A356.2 (Sc, La) aluminum alloy

2.2 稀土Sc和La对合金铸态显微组织的影响

图2(a)可见,在未添加稀土元素时,铸造A356.2铝合金中大部分共晶硅的形状是针片状,少数为块状,共晶硅的平均尺寸为13.6 μm,较为粗大。在合金中添加单一稀土0.14%La后,铸造A356.2(La)铝合金的共晶硅形貌得到改善,大部分共晶硅是块状,少数为条状,共晶硅得到细化,平均尺寸减小到6.3 μm[图2(b)]。图2(c)所示为添加两种稀土元素0.38%Sc+0.14%La的铸造A356.2(Sc、La)铝合金的显微组织,此时共晶硅完全转变为均匀细小的颗粒状组织,平均尺寸仅为2.3 μm。这说明,在合金中单独添加稀土元素La有一定的共晶硅晶粒细化效果,但细化作用有限,而添加两种稀土元素Sc和La对共晶硅的细化作用更强烈。

(a)  A356.2铝合金

(b)  A356.2(La)铝合金

(c)  A356.2(Sc、La) 铝合金

图2 铸造铝合金的显微组织 1 000×

Fig. 2 Microstructure of cast aluminum alloy

2.3 稀土元素Sc、La与合金力学性能及共晶硅的关系

稀土元素Sc和La对铸造A356.2铝合金力学性能及共晶硅的影响见表2,可知,未添加稀土元素的铸造A356.2铝合金的共晶硅平均尺寸13.6 μm,力学性能较差;添加0.14%La后,形成的铸造A356.2(La)合金的共晶硅平均尺寸降到6.3 μm,其抗拉强度和伸长率有所提高;而铸造A356.2(Sc、La)合金的共晶硅细化到2.3 μm,抗拉强度和伸长率分别提高到181.62 MPa和4.0%,较添加铸造A356.2(La)合金,细化效果更好,力学性能更高,所以稀土元素Sc和La对铸造铝合金的强化属于对共晶硅的细晶强化。Sc和La对共晶硅的细化作用机制是:(1)Al与Sc的结合形成了Al3Sc相,Al3Sc相和基体α-Al相的晶格类型和参数相近,可作为异质形核核心细化α-Al相的晶粒,Al3Sc相在合金凝固时的异质晶核作用,增加了合金熔体中的形核数,从而细化α-Al相晶粒尺

9,Sc对α-Al相的细化伴随着对共晶硅相的细化,α-Al相细化和数量的增多造成各个方向阻力的增大,致使共晶硅难于长大,从而使共晶硅成为细小的颗粒状;(2)稀土La相与Si有较强的亲和力,它吸附在Si相生长界面的前沿,阻止Si相的成长。

表2  铝合金的共晶硅尺寸和力学性能
Tab.2  Eutectic silicon dimensions and mechanical properties of aluminum alloys
铝合金Sc/wt%La/wt%共晶硅平均尺寸/μm

抗拉强度

/MPa

伸长率

/%

A356.2 0 0 13.6 136.22 1.8
A356.2(La) 0 0.14 6.3 148.84 2.3
A356.2(Sc、La) 0.38 0.14 2.3 181.62 4.0

2.4 合金中稀土元素Sc和La的分布

图3中铸造A356.2(Sc、La)铝合金的SEM微观组织可见,合金中分布着一些亮白色的第二相,为不规则的形状,通过图3(b)能谱分析可知,该亮白色第二相的化学成分为:68.88Al-24.52Si-0.32Sc-4.201La-2.08Mg,说明第二相与稀土Sc和La有关。

图3  铸造A356.2(Sc、La)铝合金的SEM图像和能谱分析

Fig. 3  SEM microstructure and energy spectrum analysis results of cast A356.2 (Sc, La)

为了解稀土Sc和La在铝合金中的分布,对铸造A356.2(Sc、La)铝合金的凝固组织进行了Sc和La元素的面扫描分析,结果见图4,可以看出,合金显微组织中出现了不同形状的Sc相和La相,分散分布,较为细小, 其中,Sc相、La相的平均尺寸为3.5、4.5 μm。稀土元素Sc的形状差异较大, 除部分固溶于α-Al相以外,还有一部分以第二相粒子Al3Sc相的形式存在,分散分布于基体中,在铝合金中起到弥散强化的作

10。总之,稀土Sc和La对铝合金的强化是弥散强化和细晶强化共同作用的结果。

(a)  La元素的面分布

(b)  Sc元素的面分布

图4 铸造A356.2(Sc、La)铝合金中稀土元素的面分布图像

Fig. 4 Areal distribution of rare earth elements in A356.2 (Sc, La) aluminum alloy

3 结论

(1) 添加两种稀土元素Sc和La的铸造A356.2(Sc、La)铝合金较单独添加一种稀土元素La的A356.2(La)铝合金有更好的共晶硅细化效果,能使共晶硅由原来平均尺寸为1 3.6 μm的粗大针片状向平均尺寸只有2.3 μm的细小颗粒状转变,共晶硅形貌得到明显改善。而单独添加一种稀土元素La只能将共晶硅细化到6.3 μm。

(2)含有两种稀土元素Sc和La的A356.2(Sc,La)铝合金的抗拉强度和伸长率明显高于含有一种稀土元素La的A356.2(La)铝合金,铝合金的抗拉强度由136.22 MPa提高到181.62 MPa,伸长率由1.8%增加到4.0%,从而大大提升了铝合金的力学性能。而含有一种稀土元素La的A356.2(La)铝合金的抗拉强度和伸长率分别为148.84 MPa和2.3%,增加幅度较小。

(3) 稀土Sc和La在铸造A356.2(Sc、La)铝合金中形成了Al3Sc相、AlSc相、Sc相、La相等,分散分布于基体中,起到了弥散强化的作用,同时这些相阻止了共晶硅的长大,使共晶硅细化,形成细晶强化,在弥散强化和细晶强化的双重作用下,合金的力学性能显著提高。

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