張建新， 高愛(ài)華

(1.河南理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，河南焦作 454000;2.河南理工大學(xué)文法學(xué)院，河南焦作 454000;3.河南理工大學(xué)機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院，河南焦作 454000)

Al-Mg-Si系鋁合金具有良好的熱塑性、優(yōu)良的耐蝕性及理想的機(jī)械性能，該系以6063、6061鋁合金等為代表的工業(yè)型材用途十分廣泛［1］。然而隨著鋁合金材料在高新技術(shù)領(lǐng)域的應(yīng)用，對(duì)其微觀組織和機(jī)械性能提出了更高的要求，例如，鋁箔制品要求材料具有優(yōu)良的塑性，高溫鋁合金要求組織具有較強(qiáng)的蠕變抗力，散熱型材對(duì)材料表面耐蝕性能要求較為嚴(yán)格［2－4］，這就使得開(kāi)發(fā)高性能的鋁合金材料變得尤為重要。近幾年來(lái)，不少?gòu)S家在合金熔體中加入Al-Ti-C中間合金、RE-La及RE-Ce等細(xì)化添加劑，并取得了預(yù)期效果。與其他處理劑相比，稀土Y元素活潑性強(qiáng)、在鋁中的溶解度大，逐漸被材料學(xué)者所關(guān)注。為了最大限度的改善鋁合金材料的組織性能，尋求更為理想的熔體處理方法，文章以Y元素為研究對(duì)象，分別探討了它對(duì)Al-Mg-Si系合金晶粒細(xì)化、導(dǎo)電性能及高溫蠕變抗力的影響，并針對(duì)性的分析了稀土Y元素的作用機(jī)理。

1 實(shí)驗(yàn)材料與方法

在電爐中用石墨坩堝熔煉相應(yīng)的鋁合金材料(成分見(jiàn)表 1)，首先將石墨坩堝預(yù)熱到 200～300℃，然后把純鋁錠、Al-Si中間合金放入坩堝，等爐料完全熔解后進(jìn)行造渣處理，加入覆蓋劑后將純鎂塊壓入熔液中，攪拌均勻?qū)⑷垠w溫度升高到760℃，然后加入Al-Y中間合金，精煉后保溫，用鐵模澆鑄成直徑為85mm的鑄錠。在油壓機(jī)上將鑄錠擠壓成40mm×10mm矩形鋁排，淬火后進(jìn)行時(shí)效處理。用掃描電子顯微鏡觀察材料的鑄態(tài)組織，用7501渦流導(dǎo)電儀測(cè)量材料電導(dǎo)率的比較值，用PHB-3000型液壓式布氏硬度計(jì)與萬(wàn)能材料實(shí)驗(yàn)機(jī)測(cè)量材料在不同溫度下的布氏硬度及抗拉強(qiáng)度。

表1 鋁合金材料的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%)Table 1 The chemical ingredient of aluminum alloy material(mass fraction/%)

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 Y對(duì)鑄態(tài)組織的細(xì)化作用

材料鑄態(tài)組織的優(yōu)劣十分重要，不僅是改善材料塑性的基礎(chǔ)，而且是提高性能的重要條件［5］。研究表明，稀土Y對(duì)Al-Mg-Si系鋁合金鑄態(tài)組織具有強(qiáng)烈的細(xì)化作用，但隨加入量不同其細(xì)化效果存在一定差異。通過(guò)實(shí)驗(yàn)，得出如下結(jié)論:稀土Y元素加入量在0.1%(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同)以下時(shí)，其細(xì)化作用不明顯;當(dāng)其加入量增加到約0.30%時(shí)，細(xì)化效果較為顯著(晶粒直徑約在50μm);當(dāng)Y加入量超過(guò)0.45%后，它對(duì)組織的細(xì)化作用反而出現(xiàn)負(fù)面影響，晶界處出現(xiàn) 了元素偏聚現(xiàn)象。鑄態(tài)組織的掃描照片見(jiàn)圖1。

圖1 不同加入量的稀土Y對(duì)鑄態(tài)組織的影響Fig.1 The effect of different Y content on cast structure (a)0.1%Y;(b)0.3%Y;(c)0.45%Y

關(guān)于微量Y對(duì)鋁合金的晶粒細(xì)化作用機(jī)理，一般認(rèn)為與熔體中析出的高熔點(diǎn)氧化物Y2O3及Y元素的活潑性有關(guān)［6］。稀土Y與氧元素的結(jié)合能力極強(qiáng)，能奪取熔體中氧化物(主要是Al2O3)的氧，通過(guò)計(jì)算物質(zhì)的焓變可知，Y2O3比Al2O3更加穩(wěn)定，生成的Y2O3晶格常數(shù)與 Al元素接近，其熔點(diǎn)高達(dá)2410℃，可作為鋁的結(jié)晶核心，這不僅有利于細(xì)化合金的鑄態(tài)組織，而且間接的消除了其他氧化物夾雜的影響。其次，Y元素性質(zhì)活潑，其電負(fù)性比Al小，熔于鋁基體后容易填補(bǔ)合金相的表面缺陷(形成置換式固溶體)，這對(duì)熔體的形核速度有利，從而增加了熔體單位體積內(nèi)的晶粒數(shù)目，使其鑄態(tài)組織得到細(xì)化。當(dāng)向熔體中加入過(guò)量Y元素時(shí)，鑄態(tài)組織的晶界處開(kāi)始出現(xiàn)元素偏聚或偏析，通過(guò)物相分析知道，合金中的過(guò)剩硅元素與過(guò)量Y交互作用的結(jié)果，二者在鋁熔體中容易生成中間產(chǎn)物YAlSi，而且這種三元化合物多在晶界處形成偏析，所以鑄態(tài)組織的細(xì)化效果及均勻性不理想。另外，實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)合理調(diào)整Si的含量，對(duì)微量Y的細(xì)化效果發(fā)揮至關(guān)重要，一般Si元素的過(guò)剩量以不超過(guò)0.05%為宜［7］。

2.2 Y對(duì)材料導(dǎo)電性能的影響

Al-Mg-Si系合金在汽車導(dǎo)體及散熱方面應(yīng)用較為廣泛，為了合理改善材料的導(dǎo)電性能，著重研究了Y的加入量對(duì)鋁合金電導(dǎo)率的影響。實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)Y元素的加入量小于0.15%時(shí)，它對(duì)合金導(dǎo)電性能的影響不明顯，其作用是局部的，合金的整體導(dǎo)電能力變化幅度不大;當(dāng)Y的含量達(dá)到0.25%以上時(shí)，合金的導(dǎo)電性能明顯上升，繼續(xù)增加稀土Y的含量，當(dāng)加入量達(dá)到0.30%時(shí)合金電導(dǎo)率最佳;當(dāng)熔體中Y的含量超過(guò)0.40%以后，合金的導(dǎo)電性能出現(xiàn)明顯下降。表2列舉了Y含量對(duì)合金電導(dǎo)率的影響數(shù)據(jù)，其中XY，Cf與Ck分別表示Y的加入量、導(dǎo)電系數(shù)和電導(dǎo)率。

表2 稀土Y對(duì)合金導(dǎo)電性能的影響Table 2 The effect of RE Y on conductive property of the alloy

分析表中數(shù)據(jù)易知，Y元素的加入量在0.30%左右時(shí)(此時(shí)硅元素過(guò)剩0.03%)，材料具有較好的導(dǎo)電性能，這一數(shù)據(jù)與鑄態(tài)組織的最佳含量相吻合，可見(jiàn)鑄態(tài)組織越均勻的材料，其導(dǎo)電性能也十分優(yōu)越。稀土Y的作用機(jī)理可從以下兩方面解釋:一是適量Y加入到鋁合金熔體后，起到強(qiáng)烈的變質(zhì)作用，其中的氫(金屬熔體中80%以上的氣體夾雜為氫)、氮等非金屬元素與稀土Y的結(jié)合力較強(qiáng)，生成了相應(yīng)的氫化物、氮化物，這些化合物部分在造渣處理中排除，部分作為異質(zhì)晶核，這就有效地抑制了組織中出現(xiàn)氣泡，大大降低了針孔率，所以從材料致密性的角度分析，其電導(dǎo)率得到提高［8］;二是加入的Y元素與其他合金元素化合時(shí)，含Y相伴生著較多的鐵元素(鐵在Al-Mg-Si系合金中是雜質(zhì)元素)，這就有效抑制了粗大β相的出現(xiàn)(β相表示式為Al9Fe2Si2，是鋁合金中的有害相)，組織的均勻性得到改善，所以從材料均勻性的角度分析，實(shí)驗(yàn)材料的導(dǎo)電性能較為優(yōu)越。最后需要指出的是:過(guò)量的加入稀土Y只會(huì)增加組織的割裂性，因?yàn)檫^(guò)剩稀土元素多在晶界處形成偏聚，對(duì)材料的導(dǎo)電性能起負(fù)面效應(yīng)(見(jiàn)圖2)。

圖2 稀土Y對(duì)電導(dǎo)率的影響Fig.2 The effect of RE-Y on electric conductivity

2.3 Y對(duì)硬度和抗拉強(qiáng)度的影響

許多鋁合金材料在高溫下容易出現(xiàn)蠕變現(xiàn)象，這一缺點(diǎn)很大程度上限制了鋁合金的應(yīng)用［9］。如該合金系6063合金在150℃時(shí)抗拉強(qiáng)度僅為140MPa(T6狀態(tài))，與室溫下的抗拉強(qiáng)度相比下降了40%左右。為了改善Al-Mg-Si系鋁合金的耐高溫性能，開(kāi)拓鋁合金材料的廣闊前景，實(shí)驗(yàn)在加入不同Y的前提下，測(cè)試了試樣的強(qiáng)硬度指標(biāo)。具體步驟為:分別把各試樣進(jìn)行拉伸實(shí)驗(yàn)及硬度測(cè)試，然后對(duì)比分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，進(jìn)行計(jì)算機(jī)模擬繪圖，數(shù)據(jù)見(jiàn)圖3。綜合分析試樣的機(jī)械性能，發(fā)現(xiàn)添加0.30%的Y時(shí)其強(qiáng)硬度較高，而且材料保持著較好的塑性，試樣的斷口處出現(xiàn)了明顯的韌窩(見(jiàn)圖4)。

圖3 稀土Y與抗拉強(qiáng)度、延伸率的關(guān)系Fig.3 Variation of tensile strength and elongation with RE-Y

經(jīng)過(guò)稀土Y元素處理后的材料，具有良好的熱穩(wěn)定性，工作環(huán)境可在原來(lái)基礎(chǔ)上提高50～100℃。對(duì)于時(shí)效強(qiáng)化型Al-Mg-Si系合金，要解決其高溫下的蠕變問(wèn)題，必須弄清楚材料的熱穩(wěn)定性、高溫蠕變及高溫拉伸強(qiáng)度之間的關(guān)系。一般情況下，鋁合金材料隨著使用溫度的升高，其強(qiáng)度下降，熱穩(wěn)定性減弱，發(fā)生高溫蠕變的概率增加。對(duì)于Y元素作用下的鋁合金，可以從以下三個(gè)方面分析作用機(jī)理:一是Y元素能和鋁基體元素生成富鋁稀土相，該相熔點(diǎn)較高，能有效阻止高溫下的晶界滑移，這對(duì)增加材料的熱穩(wěn)定性有積極作用［10］;二是Y元素與組織中的合金元素銅、鋅生成復(fù)雜的金屬間化合物Cu4YAl8，ZnY12Al3，這些高熔點(diǎn)化合物呈彌散狀分布，對(duì)位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)有釘扎功能，對(duì)提高材料的高溫強(qiáng)度有明顯作用;三是稀土Y元素的加入能有效降低鎂、硅原子的擴(kuò)散速度，從而延緩了強(qiáng)化相Mg2Si的粗化，這對(duì)改善材料的高溫蠕變十分有利［11］。所以實(shí)驗(yàn)材料的耐熱性能得到一定程度的提高。

圖4 拉伸試樣的斷口形貌(SEM)Fig.4 Fracture appearance of tensile samples

3 結(jié)論

(1)加入0.30%左右的Y對(duì)Al-Mg-Si系鋁合金的鑄態(tài)組織具有強(qiáng)烈細(xì)化作用，鑄態(tài)晶粒尺寸保持在50μm左右。

(2)含Y元素0.30%的Al-Mg-Si系鋁合金具有較強(qiáng)的導(dǎo)電能力，其電導(dǎo)率相對(duì)于普通成分的合金提高大約5%。

(3)適量稀土Y元素的加入能合理增進(jìn)Al-Mg-Si系合金材料的熱穩(wěn)定性，高溫下的強(qiáng)硬度比原來(lái)得到明顯改善。

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