Sr變質對ADC12組織及性能的影響

熊俊杰，閆　洪，揭小平

(1. 南昌大學 機電工程學院；南昌 330031; 2. 南昌市輕合金材料制備與加工重點實驗室， 南昌 330031)

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Sr變質對ADC12組織及性能的影響

熊俊杰1,2，閆洪1,2，揭小平1,2

(1. 南昌大學 機電工程學院；南昌 330031; 2. 南昌市輕合金材料制備與加工重點實驗室， 南昌 330031)

采用金相顯微鏡、掃描電鏡、差熱分析等手段，研究了不同含量的Sr變質對ADC12合金顯微組織和力學性能的影響。實驗結果表明，Sr的加入降低了該合金的共晶溫度，較大程度地改善了合金的組織及性能。當加入0.05%(質量分數)的Sr時，組織中的α-A1相和共晶硅相均得到了明顯的細化，樹枝狀的初生α-A1相已基本被打斷，晶核數量增多，形貌為近球狀，尺寸變得更加細小，而共晶硅相則呈細小彌散分布的纖維狀，此時合金的綜合力學性能較佳，其抗拉強度達到269.54 MPa，延伸率達到3.21%，分別比基體合金提高了47.48%和65.46%，并且合金材料斷口上解理面變少，韌窩數量增加，形貌變小、變深，分布也較為均勻，表現為明顯的韌性斷裂。

Sr變質； ADC12合金；顯微組織；力學性能；差熱分析

0　引　言

鋁合金具有密度小、比強度高、成形性好、易于回收利用等優點，因而在國民經濟中得到了較為廣泛的應用。作為一種Al-Si-Cu系合金[1-2]，ADC12因其優越的性能而被廣泛應用于汽車工業領域。但是，合金組織中粗大的α-Al樹枝狀枝晶，大塊狀、長針狀的Si相等其它粗大的金屬間化合物卻較大程度地降低了合金的力學性能[3]。研究表明，在鋁合金中添加少量的變質劑(如Na、K、Ba、RE等元素)不僅能達到較好的細化和變質效果，還具有凈化熔體和除氣的作用[4-5]。因此，選用變質元素來改善鋁合金的組織和性能具有重要意義，目前在這一方面的研究取得了較大進展。Qiu等[6]向Al-7Si-0.7Mg合金中添加了Sm，研究發現，當添加0.6%(質量分數)Sm時，晶粒形貌變得較為圓整，尺寸更加細小，硅相也得到了一定程度的細化，抗拉強度和延伸率較基體合金分別提高了17.5%和94.1%。李飛龍等[7]研究了 Na-Ba復合元素對改良后的鑄造鋁硅合金組織及性能的影響，結果表明，Na-Ba復合變質效果好，持續時間長，而且沒有潛伏期。段海麗等[8]研究了La對A356鋁合金的變質效果及變質機理，結果發現，當添加1.0%(質量分數)La時，組織中的共晶硅呈細小顆粒狀，當變質劑原子半徑與硅原子半徑之比接近1.65時，變質劑變質作用具有長效性。而Sr是一種較為理想的變質材料[9-10]，故本文以Al-10%(質量分數)Sr中間合金的形式添加至ADC12鋁合金中，研究了不同含量的Sr對該合金組織和性能的影響。

1　實驗材料與制備工藝

實驗采用Al-10%(質量分數)Sr中間合金來變質ADC12鋁合金(其成分見表1)。具體工藝如下：將一定質量的ADC12鋁合金錠放入石墨坩堝中過熱至750 ℃使鋁塊完全熔化，接著用六氯乙烷精煉、除渣，然后加入小塊的Al-Sr中間合金，其中Sr的質量分數為10%，配成不同Sr加入量的變質鋁合金(0%，0.01%，0.05%，0.09%Sr)，接著隨爐升溫至770 ℃再保溫25 min，隨后降溫至720 ℃澆注至預熱溫度為200～300 ℃的金屬型模具中，待冷卻后從鑄錠下部取樣。金相試樣使用體積分數為0.5%的HF溶液進行腐蝕。用帶有能譜儀(EDS)的Quanta 200型掃描電鏡(SEM)對合金組織、成分進行觀察和分析，利用OLYMPUS PMG-3金相顯微鏡觀察試樣的組織形貌。

表1　ADC12鋁合金錠化學成分(%,質量分數)

2　實驗結果

2.1鑄態組織

圖1為不同Sr加入量對ADC12鋁合金顯微組織的影響，組織中白色的為α-Al相，深黑色的為Si相。從圖1可以看出，圖1(a)中晶粒沒有顯現出較為清晰的輪廓，α-Al相也比較粗大且呈無規則狀分布。當加入0.01%Sr后，晶粒輪廓變得清晰起來，形貌趨于圓整，尺寸也得到相應的細化，見圖1(b)。當Sr加入量增至0.05%時，α-Al相輪廓變得愈加清晰，α-Al相形貌較為圓整，晶粒數量顯著增加，尺寸也變得更加細小，見圖1(c)。當加入0.09%Sr后，雖然α-Al相輪廓較清晰，形貌也趨于圓整，尺寸也較為細小，但沒有Sr含量為0.05%時的細化效果好。此外，從圖1(a)中可以看出，基體合金組織中共晶硅相主要呈粗大板條狀、大塊狀、長針狀，排列也不太規則，這些硅相會使合金鑄件在受力變形時割裂基體,從而降低鑄件的力學性能。當Sr加入量為0.01%時，共晶硅相得到一定程度的細化，形貌呈細小塊狀，短棒狀、顆粒狀，如圖1(b)所示。當加入0.05%Sr后，共晶硅相分布較為均勻，形貌已完全變為細小纖維狀，此時已達到良好的變質效果，如圖1(c)所示。當Sr加入量增至0.09%時，共晶硅相形貌則變為短棒狀、顆粒狀、部分纖維狀，變質效果沒有Sr加入量為0.05%時的好。綜上可知，Sr 能夠明顯細化ADC12鋁合金組織中的α-Al相及共晶硅相，當Sr的添加量為0.05%時效果較佳。

圖1　不同Sr加入量時ADC12合金的鑄態顯微組織

2.2富Sr金屬間化合物的SEM及EDS

當變質元素Sr加入到ADC12合金時，富含Sr元素的金屬間化合物將在熔體中生成。圖2為Sr添加量為0.09%(質量分數)時ADC12合金的SEM-EDS顯微照片。圖中呈短棒狀且帶亮色光澤的相為富Sr金屬間化合物，見圖2(a)。 圖2(b)-(e)則分別顯示了Al、Si、Sr、Cu 4種元素在該區域內的分布狀況。從圖中可以看出，Si和Sr元素主要分布在富Sr金屬間化合物區域，Al元素在該區域內分布則較少，而Cu元素在整個面區域分布則較為均勻，因此，可推斷Sr主要與Si元素反應結合生成了Sr-Si金屬間化合物。

2.3差熱分析

圖3為在升溫速率為10 ℃/min時變質鋁合金的差熱分析(DTA)曲線，特定的反應峰代表某一特點物相的轉變。由圖可知，在每個試樣的加熱曲線中都存在著一個較寬的吸熱峰，該峰被認為是合金的共晶溫度。變質前，對應的曲線峰值溫度為570.4 ℃；加入0.01%(質量分數)Sr后，該峰對應的溫度有略微的降低，變為568.2 ℃；當加入0.05%(質量分數)Sr后，對應的曲線峰值溫度降為566.7 ℃，與變質前相比，峰值溫度下降幅度較大，達到3.7 ℃；當加入0.09%(質量分數)Sr后，溫度降為567.9 ℃，峰值溫度下降幅度有所降低。由此可知，在添加Sr的ADC12合金中，合金的共晶溫度出現了下降的趨勢，結合前面的鑄態組織分析可知共晶溫度低是變質良好合金所具備的一個特征，這也佐證了H.S.Kang[11]和K.Nogita[12]等的研究成果。

圖2　Sr添加量為0.09%(質量分數) 時ADC12合金中富鍶金屬間化合物的SEM-EDS顯微照片

Fig 3 DTA curves of ADC12 alloys with different Sr additions

2.4力學性能

圖4所示為室溫下不同Sr添加量對ADC12合金力學性能的影響。

圖4　不同Sr加入量時ADC12合金的力學性能

Fig 4 The tensile properties of as-cast ADC12 alloys with different additions of Sr at room temperature

由圖4可知，經Sr變質處理的合金其力學性能優于未經變質處理的合金。當加入0.01%(質量分數)Sr后，組織中的初生α-Al相、共晶硅相均得到了一定程度的細化，抗拉強度為237.72 MPa，延伸率為2.65%，分別比基體合金提高了30.07% 和36.60%；當加入0.05%(質量分數)Sr后，組織細化更加明顯，此時合金的力學性能較佳，抗拉強度達到269.54 MPa，延伸率達到3.21%，分別比基體合金提高了47.48% 和65.46%；當Sr加入量增至0.09%時，組織細化效果減弱，抗拉強度為240.68 MPa，延伸率為2.73%，分別比基體合金提高了31.69%和40.72%。

2.5斷口掃描

圖5為不同Sr加入量下ADC12鋁合金的室溫拉伸斷口SEM形貌。由圖5(a)可以看出，未變質時，整個拉伸斷口上分布著較多不規則的脆性平坦區及一些撕裂棱，韌窩特征不明顯，其斷裂方式表現為準解理斷裂，因而導致材料力學性能的降低。而Sr的加入使得斷口上的解理面減少，韌窩數量逐漸增加，解理型斷裂特征逐漸減弱，呈現較為明顯的韌窩型斷裂特征，見圖5(b)和(c)。從圖5(b)中可以看出，當添加0.05%(質量分數)Sr時，韌性斷裂特征更為明顯，韌窩數量較多，形貌變小、變深，分布也較為均勻，這將較大程度地提高材料的力學性能。這表明變質后的鋁合金室溫拉伸斷口形貌分析結果與其力學性能變化趨勢是一致的。

圖5　不同Sr加入量時ADC12合金的室溫拉伸斷口SEM形貌

3　分析與討論

Sr能細化合金中的初生α-Al相，使其晶核數量增加。根據Kolmogorov、 Johnson、 Mehl 和 Avrami 提出的KJMA 晶粒長大模型[13]，假設在合金的熔化凝固過程中，在同一時間內形成N個半徑為R的球形晶粒，其中N為單位體積所具有的晶核數，并且考慮到凝固終了階段晶粒間的接觸因素，則在時間t時熔體中的固相率fs可表示為

(1)

(2)

(3)

(4)

在式(2)中，k為常數，由晶核的形貌決定；形核率n和晶核生長速率vg的大小決定了晶核數量的多少。當適量的Sr加入到熔體中時，共晶溫度的下降將導致合金熔體中過冷度ΔT的提高。熔體在凝固時，較大的過冷度將促進初生相α-A1的形核和長大，然而，由式(3)和(4)可以看出，形核率n的增長速率大于晶核生長速率vg的增長速率，最終導致合金中α-A1的晶核數量增多、尺寸變小。當添加0.05%的Sr時，晶粒細化效果較好，當Sr的添加量增至0.09%時，共晶溫度降低幅度變小，晶粒細化效果減弱。

此外，Sr是典型的吸附類變質元素[14]，對合金組織中的共晶硅相有著良好的變質作用。根據Hume-Rothery原則[15]，溶質和溶劑的原子半徑相對差大于15%時，合金體系中只能形成低固溶度的固溶體。而Sr的原子半徑為0.215 nm，溶劑Al的原子半徑為0.143 nm，兩者之間的原子半徑相對差約為50.35%，因此Sr進入初生相α-Al晶格內的概率較低，大部分富集在晶界處，從而導致成分過冷,促發共晶硅的復合孿晶產生，孿晶表面也存在一些原子級臺階或犁溝[16]，Sr富集使得原子大量的吸附在這些原子級臺階或犁溝上，從而封閉了硅相及其孿晶表面的原子級臺階或犁溝，達到細化效果。另外，Sr變質元素原子的吸附也將引起硅相孿晶邊界能的降低，當合金中Sr的添加量為0.01%時，共晶硅相主要以細小短棒狀、小塊狀、顆粒狀形態生長，這可能是因為共晶過冷度還較小，且孿晶邊界能還較大，這時產生孿晶的機率較小。當合金中Sr的添加量增至0.05%時，共晶過冷度增大，使得由溶質原子產生的成分過冷達到最優值，固液界面相對比較穩定，同時孿晶邊界能降低，產生孿晶的概率增大，孿晶行為更易發生，導致硅相在更多的方向上生長，使得硅相產生彎折、分叉，硅相形態向纖維化轉變。由于Sr的變質能力較強，當Sr的加入量達到0.09%時，硅相形貌由纖維狀變為了細小顆粒狀及塊狀，這可能是因為此時溶質原子產生的成分過冷偏離了最佳狀態，從而破壞了固液界面的穩定，組織向著過變質狀態轉變，開始出現團聚和長大的趨勢。

綜上可知，Sr的加入對ADC12合金中初生α-Al相及共晶硅相的形貌、分布、尺寸具有較大的影響。Sr的加入較大程度地改善了合金組織，而良好的組織又大大提高了合金的力學性能。

4　結　論

(1)ADC12合金中加入適量的Sr能使其組織得到較大程度的細化。當加入0.05%(質量分數)Sr時，組織中的α-A1相和共晶硅相均得到了明顯的細化，樹枝狀的初生α-A1相已基本被打斷，晶核數量增多，形貌為近球狀，尺寸變得更加細小，而共晶硅相則呈細小彌散分布的纖維狀。

(2)差熱分析結果表明，加入Sr后，ADC12合金的共晶溫度有所下降。當加入質量分數為0.05%的Sr后，合金的共晶溫度降低了3.7 ℃，從而使共晶硅相的結晶過冷度增大，促進變質作用。

(3)Sr的加入能顯著提高合金的力學性能。當添加0.05%(質量分數)的Sr時，合金具有良好的綜合力學性能，其抗拉強度達到269.54 MPa，延伸率達到3.21%，分別比基體合金提高了47.48% 和 65.46%，并且合金材料斷口上解理面變少，韌窩數量增加，形貌變小、變深，分布也較為均勻，表現為明顯的韌性斷裂。

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Effect of Sr modification on structures and properties of ADC12

XIONG Junjie1,2, YAN Hong1,2, JIE Xiaoping1,2

(1. School of Mechanical and Electrical Engineering,Nanchang University, Nanchang 330031,China;2. Key Laboratory of Light Alloy Preparation & Processing in Nanchang City, Nanchang 330031,China)

Microstructures and mechanical properties of ADC12 alloy with different Sr additions were studied by optical microscopy, scanning electron microscopy and thermal analysis in this article. The experiment results show that the addition of Sr not only caused a depression of eutectic temperature but also improved microstructure and property of the alloy. α-Al and eutectic silicon phases could be refined significantly when 0.05wt% Sr was added to the alloy. And it was found that Sr was capable of breaking down the primary α-A1 phases, giving rise to an increment in the number of crystalline grains, the morphology of crystalline grains became mainly near-spherical shape, the size was tended to be finer, the morphology of eutectic silicon phases was fibrous. under the circumstance, comprehensive mechanical properties of ADC12 alloy were better, the tensile strength and elongation reached 269.54 MPa and 3.21% respectively, increased by 47.48% and 65.46% than those of the matrix respectively, and cleavage surfaces of the alloy were lessened, the dimples were increased in quantity, diminished in size, deepened in the morphology, the characteristic of ductile fracture was obvious.

Sr modification; ADC12 alloy; microstructure; mechanical properties; thermal analysis

1001-9731(2016)08-08104-05

國家自然科學基金資助項目(51364035)；教育部高等學校博士學科點專項科研基金聯合資助課題資助項目(20133601110001)；江西省教育廳落地計劃資助項目(KJLD14003)；黨外專家博士產學研合作計劃資助項目(2012-CYH-DW-XCL-002)

2015-01-15

2015-12-01 通訊作者：閆洪，E-mail: yanhong_wh@163.com

熊俊杰(1988-)，男，江西宜春人，在讀碩士，師承閆洪教授，從事新材料制備與成形技術研究。

TG146.2

A

10.3969/j.issn.1001-9731.2016.08.017