原標題：Er和Zn對新型高強韌壓鑄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性，較小的收縮率和熱裂傾向等，得到廣泛應用。壓力鑄造具有生產率高、鑄件精度高、尺寸穩定等特點。基于優質高效低成本制造，對鑄態Al-Si系壓鑄合金的高強韌性能具有實際需求。生產工業消防管接頭中的轉動環鑄件時需要綜合力學性能較好的壓鑄Al-Si合金，如抗拉強度大于240MPa，伸長率大于4%。但是，目前相關合金伸長率難以滿足要求。因此，研發新型的鑄態高強韌壓鑄Al-Si合金具有積極意義。

通過微合金化實施細化和變質處理改性材料是提高壓鑄Al合金鑄態綜合力學性能的有效途徑。稀土元素通過異質形核可以起到細化晶粒的效果，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對鋁合金的性能有一定的影響。研究表明，Al-Mg合金的抗拉強度和伸長率均隨Er含量增加呈現先升后降的趨勢，硬度則持續上升；Er也會使AA6061合金結構中的稀土化合物和雜質相的數量顯著增加，大大提高第二相的強化效果。此外，強化元素Zn能以固溶體的形式均勻地分布在基體中固溶強化合金。也有研究指出，當Zn含量為1%時，合金組織中的共晶Si相會轉變為細小纖維狀或顆粒狀，有效提高壓鑄Al-Si合金的性能，而對于添加Er及復合添加Er、Zn對Al-Si合金力學性能影響的研究則報道很少。

本課題組前期基于Al-Si合金常用元素、合金的流動性及普通壓鑄防止粘模等因素正交試驗組合得到一組基本合金成分Al-9Si-0.6Fe-0.2Mn-0.2Mg，但其綜合力學性能尚需進一步提高。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（編號為Z1~Z4），研究其鑄態顯微組織和力學性能，旨在為鑄態高強韌壓鑄Al-Si合金的應用提供參考。

圖文結果

原材料分別為工業純鋁（99.9%，質量分數，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的石墨坩堝中，加熱至750℃保溫一段時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中間合金進行細化、變質處理，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臥式冷室壓鑄機進行拉伸試棒制備，模具預熱溫度為280℃，試棒尺寸見圖1。采用WAW-10000萬能材料試驗機對試棒進行拉伸測試，拉伸速率為1.0mm/min，每種合金均取3根試棒測試，結果取平均值。在拉伸試樣端部取樣，對其進行研磨拋光，采用體積分數為0.5%的HF溶液腐蝕10 s后，使用Olympus-BHM363U金相顯微鏡對試樣的顯微組織進行觀察，采用DigiVicher-1000A型維氏硬度計測其硬度，載荷為50N，保持15s，在區域內隨機選擇10個不同位置進行測量，取平均值。結合D/MAX-RB型X-ray衍射儀、JXA-8230型電子探針等對試樣的物相進行檢測分析。

圖1 拉伸試樣尺寸

圖2 Z1~Z4壓鑄態合金的金相組織

圖3 Z2、Z4合金試樣XRD圖

圖4和圖5分別為Z2壓鑄態合金組織EPMA形貌圖、主要元素面掃描及相應點的EDS能譜分析結果。可以看出，A點狹小細長狀相主要由Al、Si、Fe以及少量Mn元素構成，初步判斷其為β-Al5FeSi。此外，部分Mn元素會進入到富Fe相中，促進β-Al5FeSi相向團塊狀α-AlSiMnFe相轉變。B點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變成熔點更高、更穩定的α-AlSiMnFeEr相，從而改變了富Fe相組成和晶界穩定性。

圖4 壓鑄態Z2合金的EPMA形貌和EDS分析結果

圖5 主要元素面掃描

圖6 Z4合金的EPMA照片和EDS分析結果

從圖7可以看出，隨著稀土Er含量的增加，合金的硬度呈現先增加后降低的趨勢。當合金中添加0.2%的Er時，其硬度（HV）為74.7。添加0.4%的Er時，晶粒細化最明顯，第二相分布最均勻，合金的硬度（HV）達到了84.6，相比Z1合金提高了13.25%。當Er含量繼續增加至0.6%時，硬度（HV）有所降低，為79.2。這是因為加入Er元素會使得強化相Al3Er過量析出，促進合金硬度的提高。另一方面，隨著Er含量增加，細化的晶粒出現了部分長大的趨勢，含有Er的較大的第二相也將析出，削弱了晶粒細化效應，從而降低了合金的硬度。

圖7 不同Er添加量合金的力學性能

圖8 Z2和Z4合金的力學性能

結論

相比于Z2合金，復合添加Er、Zn的Z4合金的抗拉強度（σb）、屈服強度（σ0.2）、伸長率（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對組織中相的細化起到了較為明顯的促進作用，且生成了較多分布均勻的二次強化相，降低了對基體的割裂作用，使得合金的力學性能得到明顯提高。由于Zn的固溶強化及析出強化效應，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分數的增加，導致了較高的硬度值。綜上所述，復合添加Er、Zn的Z4合金表現出了更好的綜合力學性能，可以滿足轉動環等鑄件的力學性能要求。

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，合金中還會產生α-AlMgZn相。

本文作者：

范曉明 馬琳霞 呂曉剛
武漢理工大學材料科學與工程學院
盧曉斌 黃剛福
高安市璐克斯機械有限公司

本文來源：《特種鑄造及有色合金》雜志