莊鵬程，張 壯，杜曉東

(合肥工業(yè)大學(xué) 材料學(xué)院，安徽 合肥 230009)

隨著能源和環(huán)境形勢(shì)日益嚴(yán)峻，節(jié)能降耗和綠色環(huán)保成為汽車(chē)制造的重要指標(biāo)。鋁合金具有密度小，比強(qiáng)度、比剛度高，抗腐蝕性好、良好的加工能力、減重效果好、回收利用率高等優(yōu)點(diǎn)，因而成為汽車(chē)輕量化的首選材料[1-3]。Al-Si系鑄造鋁合金在汽車(chē)領(lǐng)域廣泛運(yùn)用，其中A356鋁合金是使用較多的一種鑄造鋁合金，其化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)為，Si 0.70，Mg 0.30，Ti 0.02，Sr 0.02，Al余量[4]。A356鋁合金的鑄態(tài)組織α-Al固溶體粗大，有偏析、氧化物、空隙等缺陷，需要對(duì)其進(jìn)行變質(zhì)處理和微合金化[5-7]。徐雪芳等[8]研究0.17%Sc的鋁合金的比不含Sc的鋁合金的硬度、抗拉強(qiáng)度與伸長(zhǎng)率分別提高13.3 HV、40.4 MPa和2.4%；Zhifan Wei等[9]研究Y的加入改善了鑄態(tài)合金的顯微組織，初生α-Al的分布均勻有序，長(zhǎng)針狀共晶Si相和β-Fe相向帶狀和短棒狀轉(zhuǎn)變。Sc和Zr的復(fù)合添加對(duì)晶粒細(xì)化、力學(xué)性能具有顯著效果，但目前對(duì)于A356鋁合金Sc、Zr復(fù)合添加的研究較少，本文旨在研究Sc、Zr改性A356鋁合金組織和性能的影響，提高A356鋁合金的綜合性能。

1 試驗(yàn)材料及方法

實(shí)驗(yàn)所用到原材料為中間合金Al-21.54 wt.% Si，Al-50.38 wt.% Mg，Al-3.93 wt.% Ti，Al-9.15 wt.% Sr，Al-2.02 wt.% Sc，Al-3.9 wt.% Zr和純度為99.99 wt.%的鋁錠。熔煉澆注過(guò)程中使用中間合金Al-Sr對(duì)鋁液進(jìn)行變質(zhì)處理，澆注溫度為730℃，得到4種Sc、Zr添加量不同的樣品：Al-7Si-0.3Mg-0.2Zr、Al-7Si-0.3Mg-0.2Zr-0.1Sc、Al-7Si-0.3Mg-0.2Zr-0.2Sc、Al-7Si-0.3Mg-0.2Zr-0.3Sc。

鑄造后的樣品線切割成10mm×10mm×10mm的方塊，進(jìn)行磨制拋光，然后使用Keller試劑進(jìn)行腐蝕，采用MR-5000型光學(xué)顯微鏡觀察不同部位的金相組織。通過(guò)X′PertPRO型X射線衍射儀對(duì)試樣進(jìn)行XRD分析。采用HV-5維氏硬度計(jì)進(jìn)行顯微硬度測(cè)試，試驗(yàn)參數(shù)為載荷5N，加載時(shí)間10s。按照GB/T2281-2010 金屬材料拉伸實(shí)驗(yàn)第1部分室溫試驗(yàn)方法的規(guī)定加工成拉伸試樣，在CMT-5105電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行拉伸性能測(cè)試，加載速度為2.0mm/min，測(cè)定拉伸試樣的屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度和伸長(zhǎng)率，并在蔡司SIGMA場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡下觀察拉伸斷口形貌，研究A356鋁合金的斷裂機(jī)制。

2 結(jié)果與討論

2.1 金相組織

4種不同Sc含量的鑄態(tài)合金金相顯微組織如圖1所示。使用Image-Pro pulse 6.0 image analyzer 軟件根據(jù)截線法近似計(jì)算二次枝晶臂間距 (Secondary Dendrite Arm Spacing， SDAS)，得到4種合金的SDAS如圖2所示。截線法近似計(jì)算SDAS公式為：SDAS=L/n；式中，L為圖像中任意截線的長(zhǎng)度，n為截線所截胞界的總數(shù)或截線與共晶區(qū)域交點(diǎn)的總數(shù)[10， 11]。

從圖1和2可知，添加0.2wt.%Zr的A356鋁合金，組織呈現(xiàn)粗大的樹(shù)枝晶形態(tài)，對(duì)應(yīng)的SDAS約為25.4μm，表征了樹(shù)枝晶的組織細(xì)化程度較小，且晶界處存在連續(xù)的針片狀組織，部分直徑較小的針片狀組織聚集在一起形成團(tuán)簇，說(shuō)明合金組織需要進(jìn)一步優(yōu)化。根據(jù)Al-Si二元合金相圖，A356鋁合金屬于亞共晶合金，其凝固過(guò)程析出α-Al枝晶和共晶Si相，因此圖中粗大的樹(shù)枝晶為初始α-Al相，針片狀組織為共晶硅相[10]。在合金中加入0.2wt.%Zr、0.1wt.%Sc(圖1(b))，合金的顯微組織開(kāi)始由粗大的樹(shù)枝晶向近等軸晶發(fā)生轉(zhuǎn)變，α-Al基體相變化較小，且共晶硅仍主要以針片狀形貌存在。添加0.2wt.%Zr 、0.2wt.%Sc后(圖1(c))，晶粒形貌發(fā)生了較大變化，SDAS減小至18.5μm，相較于只添加0.2wt.%Zr合金的SDAS減小了27.2%，S.L. Pramod等人[12]研究Sc的加入減小了SDAS。也有文獻(xiàn)報(bào)道在Al-Si-Mg合金中，Zr代替了部分Sc元素，生成了Al3(Sc，Zr)化合物，為形核時(shí)提供更多的異質(zhì)形核位點(diǎn)，起到了細(xì)化晶粒的作用[13，14]。此外，共晶硅也發(fā)生明顯變化，從之前的針片狀轉(zhuǎn)變?yōu)槎贪魻?，在基體晶界上的分布更為均勻。添加0.2wt.%Zr、0.3wt.%Sc后(圖1(d))，SDAS未隨Sc含量的增加進(jìn)一步細(xì)化，樹(shù)枝晶的SDAS約為19.7μm，相較于Sc含量為0.2 wt.%的合金SDAS增加了6.5%。比較分析可知，復(fù)合添加0.2wt.%Zr 、0.2wt.%Sc對(duì)于合金鑄態(tài)組織細(xì)化效果最好。

2.2 XRD物相分析

圖3是4種鑄態(tài)Al-7Si-0.3Mg-0.2Ti-0.2Zr-xSc合金的XRD衍射圖譜，從圖中可以看出，鑄態(tài)合金中存在α-Al相和共晶硅相。比較4種合金的各晶面衍射峰強(qiáng)度，添加了不同梯度過(guò)渡元素后的4種合金中，除了Al-7Si-0.3Mg-0.2Zr-0.1Sc合金外，其他合金在凝固過(guò)程中沿著(111)方向生長(zhǎng)的擇優(yōu)取向并未發(fā)生明顯變化，Al-7Si-0.3Mg-0.2Zr-0.1Sc合金在(111)方向最高，說(shuō)明該合金在該方向上生長(zhǎng)的趨勢(shì)最大；(220)和(311)方向的晶面峰強(qiáng)度比明顯先增加后減小，(200)方向的晶面風(fēng)強(qiáng)度逐漸增加，這表明α-Al相在(220)和(311)方向生長(zhǎng)的晶面趨勢(shì)逐漸被(200)晶面所取代。

2.3 力學(xué)性能

試驗(yàn)合金的維氏硬度變化如圖4所示。結(jié)果顯示，未添加Sc的合金的硬度為58.6HV，隨著Sc含量的增加試驗(yàn)合金的硬度呈現(xiàn)先增后減的趨勢(shì)，當(dāng)復(fù)合添加0.2 wt.% Zr、0.2wt.% Sc時(shí)合金的硬度達(dá)最大值69.4HV，相比于未添加Sc的合金增加了18.4%；當(dāng)Sc元素的含量增加到0.3wt.%時(shí)，合金的硬度比0.2wt.%Sc的有所降低。硬度的變化規(guī)律與組織的演變規(guī)律密切相關(guān)，合金二次枝晶臂間距先增后減的趨勢(shì)與硬度變化趨勢(shì)暗合，當(dāng)Sc含量為0.2wt.%時(shí)，合金的二次枝晶臂間距最小，硬度達(dá)到最大值。

圖5為試驗(yàn)合金的抗拉強(qiáng)度和伸長(zhǎng)率隨Sc含量增加的變化情況圖。由圖5可知，未添加Sc元素的合金抗拉強(qiáng)度和伸長(zhǎng)率分別為138MPa、3.5%；隨著Sc含量的增加，試驗(yàn)合金的抗拉強(qiáng)度和伸長(zhǎng)率整體呈現(xiàn)遞增趨勢(shì)，當(dāng)復(fù)合添加0.2 wt.% Zr、0.2wt.% Sc后，合金的抗拉強(qiáng)度和伸長(zhǎng)率達(dá)到最大值229MPa、10.5%，增長(zhǎng)幅度分別為65.9%和200%，力學(xué)性能得到大幅提升。

圖6顯示了不同Sc含量下鑄態(tài)合金的斷口形貌特征。未添加Sc元素的拉伸斷面，如圖6(a)所示，斷口截面上存在著大量撕裂棱和解理小平面，分布不均勻，存在較淺的韌窩，斷裂方式為準(zhǔn)解理斷裂。隨著Sc含量的增加，實(shí)驗(yàn)合金的抗拉強(qiáng)度與延伸率逐漸增加，添加0.2wt.% Zr、0.1wt.% Sc(圖6(b))，斷面上的撕裂棱進(jìn)一步減小，韌窩數(shù)量逐漸增加，合金的斷裂方式轉(zhuǎn)變?yōu)轫g脆混合型斷裂。Zr、Sc的復(fù)合添加，使合金的初始α-Al相得到細(xì)化，共晶硅變質(zhì)效果明顯，提高了合金的力學(xué)性能。添加0.2wt.% Zr、0.2wt.% Sc(圖6(c))，斷裂面上分布著較多韌窩與小解理面，且韌窩分布較為均勻，韌窩深度增加，斷裂方式主要是韌性斷裂。添加0.2wt.% Zr、0.3wt.% Sc(圖6(d))，分布著尺寸不等、深淺不一的韌窩，斷裂方式主要是韌性斷裂。

3 結(jié)論

通過(guò)Sc、Zr復(fù)合微合金化對(duì)鑄造成型的Al-7Si-0.3Mg-0.2Zr-xSc 鋁合金進(jìn)行改性處理。采用光學(xué)顯微鏡分析了其微觀組織形貌，并定量測(cè)試了其顯微組織特征值；同時(shí)測(cè)定了合金的硬度和拉伸性能，并采用掃描電子顯微鏡觀察其斷口形貌，結(jié)論如下：

(1) 在A356合金中復(fù)合添加Zr、Sc元素，可以細(xì)化初始α-Al相，且對(duì)共晶硅起到變質(zhì)作用，當(dāng)復(fù)合添加0.2wt.% Zr、0.2wt.% Sc后，合金的SDAS為18.5μm，合金中分布的連續(xù)的針片狀共晶硅轉(zhuǎn)變?yōu)椴贿B續(xù)的短棒狀；

(2) XRD衍射圖譜顯示鑄態(tài)合金中存在α-Al相和共晶硅相，合金在(111)方向生長(zhǎng)趨勢(shì)最大；

(3) Al-7Si-0.3Mg-0.2Zr-xSc合金的硬度、抗拉強(qiáng)度和伸長(zhǎng)率隨著Sc含量的增加呈先上升后下降的趨勢(shì)，在0.2wt.% Zr、0.2wt.% Sc含量時(shí)，硬度、抗拉強(qiáng)度和伸長(zhǎng)率達(dá)到最大值，分別為69.4HV、229MPa、10.5%，斷裂方式為韌性斷裂。