微量Y對Al-Mg-Si系合金組織性能的影響

張建新， 高愛華

(1.河南理工大學材料科學與工程學院，河南焦作 454000;2.河南理工大學文法學院，河南焦作 454000;3.河南理工大學機械與動力工程學院，河南焦作 454000)

Al-Mg-Si系鋁合金具有良好的熱塑性、優良的耐蝕性及理想的機械性能，該系以6063、6061鋁合金等為代表的工業型材用途十分廣泛［1］。然而隨著鋁合金材料在高新技術領域的應用，對其微觀組織和機械性能提出了更高的要求，例如，鋁箔制品要求材料具有優良的塑性，高溫鋁合金要求組織具有較強的蠕變抗力，散熱型材對材料表面耐蝕性能要求較為嚴格［2－4］，這就使得開發高性能的鋁合金材料變得尤為重要。近幾年來，不少廠家在合金熔體中加入Al-Ti-C中間合金、RE-La及RE-Ce等細化添加劑，并取得了預期效果。與其他處理劑相比，稀土Y元素活潑性強、在鋁中的溶解度大，逐漸被材料學者所關注。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元素為研究對象，分別探討了它對Al-Mg-Si系合金晶粒細化、導電性能及高溫蠕變抗力的影響，并針對性的分析了稀土Y元素的作用機理。

1 實驗材料與方法

在電爐中用石墨坩堝熔煉相應的鋁合金材料(成分見表 1)，首先將石墨坩堝預熱到 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行造渣處理，加入覆蓋劑后將純鎂塊壓入熔液中，攪拌均勻將熔體溫度升高到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。在油壓機上將鑄錠擠壓成40mm×10mm矩形鋁排，淬火后進行時效處理。用掃描電子顯微鏡觀察材料的鑄態組織，用7501渦流導電儀測量材料電導率的比較值，用PHB-3000型液壓式布氏硬度計與萬能材料實驗機測量材料在不同溫度下的布氏硬度及抗拉強度。

表1 鋁合金材料的化學成分(質量分數/%)Table 1 The chemical ingredient of aluminum alloy material(mass fraction/%)

2 實驗結果與分析

2.1 Y對鑄態組織的細化作用

材料鑄態組織的優劣十分重要，不僅是改善材料塑性的基礎，而且是提高性能的重要條件［5］。研究表明，稀土Y對Al-Mg-Si系鋁合金鑄態組織具有強烈的細化作用，但隨加入量不同其細化效果存在一定差異。通過實驗，得出如下結論:稀土Y元素加入量在0.1%(質量分數，下同)以下時，其細化作用不明顯;當其加入量增加到約0.30%時，細化效果較為顯著(晶粒直徑約在50μm);當Y加入量超過0.45%后，它對組織的細化作用反而出現負面影響，晶界處出現 了元素偏聚現象。鑄態組織的掃描照片見圖1。

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

關于微量Y對鋁合金的晶粒細化作用機理，一般認為與熔體中析出的高熔點氧化物Y2O3及Y元素的活潑性有關［6］。稀土Y與氧元素的結合能力極強，能奪取熔體中氧化物(主要是Al2O3)的氧，通過計算物質的焓變可知，Y2O3比Al2O3更加穩定，生成的Y2O3晶格常數與 Al元素接近，其熔點高達2410℃，可作為鋁的結晶核心，這不僅有利于細化合金的鑄態組織，而且間接的消除了其他氧化物夾雜的影響。其次，Y元素性質活潑，其電負性比Al小，熔于鋁基體后容易填補合金相的表面缺陷(形成置換式固溶體)，這對熔體的形核速度有利，從而增加了熔體單位體積內的晶粒數目，使其鑄態組織得到細化。當向熔體中加入過量Y元素時，鑄態組織的晶界處開始出現元素偏聚或偏析，通過物相分析知道，合金中的過剩硅元素與過量Y交互作用的結果，二者在鋁熔體中容易生成中間產物YAlSi，而且這種三元化合物多在晶界處形成偏析，所以鑄態組織的細化效果及均勻性不理想。另外，實驗中發現合理調整Si的含量，對微量Y的細化效果發揮至關重要，一般Si元素的過剩量以不超過0.05%為宜［7］。

2.2 Y對材料導電性能的影響

Al-Mg-Si系合金在汽車導體及散熱方面應用較為廣泛，為了合理改善材料的導電性能，著重研究了Y的加入量對鋁合金電導率的影響。實驗中發現，當Y元素的加入量小于0.15%時，它對合金導電性能的影響不明顯，其作用是局部的，合金的整體導電能力變化幅度不大;當Y的含量達到0.25%以上時，合金的導電性能明顯上升，繼續增加稀土Y的含量，當加入量達到0.30%時合金電導率最佳;當熔體中Y的含量超過0.40%以后，合金的導電性能出現明顯下降。表2列舉了Y含量對合金電導率的影響數據，其中XY，Cf與Ck分別表示Y的加入量、導電系數和電導率。

表2 稀土Y對合金導電性能的影響Table 2 The effect of RE Y on conductive property of the alloy

分析表中數據易知，Y元素的加入量在0.30%左右時(此時硅元素過剩0.03%)，材料具有較好的導電性能，這一數據與鑄態組織的最佳含量相吻合，可見鑄態組織越均勻的材料，其導電性能也十分優越。稀土Y的作用機理可從以下兩方面解釋:一是適量Y加入到鋁合金熔體后，起到強烈的變質作用，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的結合力較強，生成了相應的氫化物、氮化物，這些化合物部分在造渣處理中排除，部分作為異質晶核，這就有效地抑制了組織中出現氣泡，大大降低了針孔率，所以從材料致密性的角度分析，其電導率得到提高［8］;二是加入的Y元素與其他合金元素化合時，含Y相伴生著較多的鐵元素(鐵在Al-Mg-Si系合金中是雜質元素)，這就有效抑制了粗大β相的出現(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，實驗材料的導電性能較為優越。最后需要指出的是:過量的加入稀土Y只會增加組織的割裂性，因為過剩稀土元素多在晶界處形成偏聚，對材料的導電性能起負面效應(見圖2)。

圖2 稀土Y對電導率的影響Fig.2 The effect of RE-Y on electric conductivity

2.3 Y對硬度和抗拉強度的影響

許多鋁合金材料在高溫下容易出現蠕變現象，這一缺點很大程度上限制了鋁合金的應用［9］。如該合金系6063合金在150℃時抗拉強度僅為140MPa(T6狀態)，與室溫下的抗拉強度相比下降了40%左右。為了改善Al-Mg-Si系鋁合金的耐高溫性能，開拓鋁合金材料的廣闊前景，實驗在加入不同Y的前提下，測試了試樣的強硬度指標。具體步驟為:分別把各試樣進行拉伸實驗及硬度測試，然后對比分析實驗數據，進行計算機模擬繪圖，數據見圖3。綜合分析試樣的機械性能，發現添加0.30%的Y時其強硬度較高，而且材料保持著較好的塑性，試樣的斷口處出現了明顯的韌窩(見圖4)。

圖3 稀土Y與抗拉強度、延伸率的關系Fig.3 Variation of tensile strength and elongation with RE-Y

經過稀土Y元素處理后的材料，具有良好的熱穩定性，工作環境可在原來基礎上提高50～100℃。對于時效強化型Al-Mg-Si系合金，要解決其高溫下的蠕變問題，必須弄清楚材料的熱穩定性、高溫蠕變及高溫拉伸強度之間的關系。一般情況下，鋁合金材料隨著使用溫度的升高，其強度下降，熱穩定性減弱，發生高溫蠕變的概率增加。對于Y元素作用下的鋁合金，可以從以下三個方面分析作用機理:一是Y元素能和鋁基體元素生成富鋁稀土相，該相熔點較高，能有效阻止高溫下的晶界滑移，這對增加材料的熱穩定性有積極作用［10］;二是Y元素與組織中的合金元素銅、鋅生成復雜的金屬間化合物Cu4YAl8，ZnY12Al3，這些高熔點化合物呈彌散狀分布，對位錯運動有釘扎功能，對提高材料的高溫強度有明顯作用;三是稀土Y元素的加入能有效降低鎂、硅原子的擴散速度，從而延緩了強化相Mg2Si的粗化，這對改善材料的高溫蠕變十分有利［11］。所以實驗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 結論

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

(2)含Y元素0.30%的Al-Mg-Si系鋁合金具有較強的導電能力，其電導率相對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Al-Mg-Si系合金材料的熱穩定性，高溫下的強硬度比原來得到明顯改善。

［1］張向宇，熊計，趙國忠，等.稀土La對6063鋁合金組織與時效性能的影響［J］.有色金屬，2010，62(1):1－2.

［2］FUKUI K，TAKEDA M，ENDO T T.Morphology and thermal stability of metastable precipitates formed in an Al-Mg-Si ternary alloy aged at 403K to 483K［J］.Materials Letters，2005，59(11):1444－1445.

［3］ZHANG L Y，ZHAN Z J，JIA Y Z.Characterization of Al-Si-Mg alloys fast quenched from the melt by special medium［J］.Journal of Materials Processing Technology，2007，187/188(12):791－792.

［4］高力強，劉麗，莊乾坤.鋁及其合金材料在建筑節能中的應用［J］.新型建筑材料，2010，37(7):31－33.

［5］姜鋒，韋莉莉，蹇海根，等.航空用B93鋁合金均勻化顯微組織分析［J］.航空材料學報，2010，30(2):1－2.

［6］李桂榮，趙玉濤，李季.稀土釔強化Al-Zn-Mg-Cu鋁合金的組織特征［J］.江蘇大學學報，2010，31(1):49－51.

［7］張建新，高愛華.過剩Si對6063鋁合金組織與性能的影響［J］.特種鑄造及有色合金，2008，28(2):148－149.

［8］袁孚勝，李明茂，朱應祿，等.稀土在鋁及其合金中的作用和應用［J］.上海有色金屬，2009，30(3):130－131.

［9］陳宇強，易丹青，潘素平，等.溫度對2024鋁合金蠕變行為的影響［J］.中國有色金屬學報，2010，20(4):632－633.

［10］李慧中，張新明，陳明安，等.稀土釔對2519合金組織及耐熱性能的影響［J］.材料科學與工程學報，2005，23(1):40－41.

［11］陳志國，周嫻，舒軍，等.稀土在鋁合金中微合金化研究進展［J］.礦冶工程，2010，30(2):103－104.