Ba對亞共晶鋁硅合金微觀組織與力學性能的影響

摘 要：通過光學顯微鏡、拉伸試驗等分析測試方法，研究了Ba對Al-7Si合金微觀組織、力學性能的影響。結果表明，Ba可以使共晶硅形貌由粗大的片狀轉變為短棒狀或者細小的顆粒狀，當Ba含量為0.15wt.%時，變質效果最好，共晶硅轉變為纖維狀或者細小的顆粒狀，Ba含量繼續增加，Si顆粒粗化并且變成短棒狀。合金的抗拉強度和延伸率隨著Ba含量的增加呈現先增加后降低的趨勢，當Ba含量為0.15wt.%，合金的抗拉強度和延伸率達到峰值， 分別為184.4 MPa和15.1%。

關鍵詞：Al-7Si合金；硅顆粒；力學性能；微觀組織

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.15.268

近年來，汽車的迅速普及在推動社會發展的同時也帶來了一系列資源與環境問題，汽車輕量化是汽車節能減排的重要手段，所以汽車輕量化開始成為汽車行業研究的重要方向。其中鋁合金憑借其密度小、比強度高、易回收成為汽車輕量化中代替鋼鐵的主要材料，給汽車減重帶來了新的機遇[1]。鑄造工藝具有生產效率高，可以生產復雜的形狀部件，成本低的優點，所以，目前超過70%的汽車部件為鑄造鋁合金[2]。 Al-Si系合金由于其優良的鑄造性能，較好的力學性能和耐腐蝕性成為廣泛應用的鑄造鋁合金。隨著汽車業的繼續發展，對性能和安全的要求越來越高，對材料的要求也越來越高，需要Al-Si合金的延伸率大于15%，屈服強度大于150MPa[3]。新型鑄造鋁合金已經被開發出來，例如Aural-2，Silafont 36[4]，但這些合金是由Sr變質的Al-Si合金，其部分共晶硅形貌呈現短棒狀，還需要通過熱處理來球化共晶硅，從而提高合金的力學性能，增加了生產成本。有研究者[5，6]發現Ba可以使共晶硅轉變為纖維狀或者細小的顆粒狀，但是對于Ba對Al-Si合金微觀組織及力學性能缺少系統的研究。本文主要討論Ba對Al-7Si的微觀組織以及力學性能的影響。

本實驗主要通過加入Ba對Al-7Si合金進行變質處理，討論Ba對Al-7Si合金微觀組織以及力學性能的影響。

1 實驗材料與方法

本實驗所用原材料為純Al（99.99wt.%）、Al-18wt.%Si中間合金、純Ba等。純Al以及Al-18wt.%Si中間合金在電阻爐中熔煉，在720 °C條件下保溫30 min，使純Al以及Al-18wt.%Si中間合金全部熔化，進行扒渣，在720 °C加入純Ba（用鋁箔包裹），大約保溫5 min后通入氬氣，在720 °C保溫10 min，對液體進行2次扒渣，繼續在720 °C下保溫10 min，然后將合金澆注到金屬模具中（模具溫度250 °C），冷卻后取出鑄件，用于研究Ba對Al-Si合金微觀組織以及力學性能的影響，利用ICP（Inductive Coupled Plasma Emission Spectrometer） 電感耦合等離子光譜測定Al-7Si合金中的化學成分，如表1所示。

實驗過程中金相組織使用Keller（0.5 mLHF+1.5 mLHCL+2.5 mLHNO3+95.5 mLH2O）試劑腐蝕12 s。然后在CarlZeiss Axivovert 40 MAT型號光學顯微鏡下觀察金相組織，用SHIMADZV AG-X50KN型號的拉伸機拉伸試樣，拉伸試樣尺寸如圖1所示，厚度為5 mm。拉伸速度為1 mm/min。

2 實驗結果與分析

2.1 Ba對微觀組織的影響

圖2為Al-7Si-xBa合金的金相，可以觀察到Ba元素的加入對α（Al）的二次枝晶間距影響不明顯，但是共晶硅的形貌發生了較大的改變。從圖2（b）中可以看出未變質合金共晶硅呈現片狀；當Ba含量為0.05wt.%時，如圖2（d）所示，片狀的共晶硅轉變為短棒狀和顆粒狀的共晶硅，有部分的共晶硅呈現短棒狀，變質沒有完全。Ba含量為0.15wt.%時，如圖2（f）所示，片狀的共晶硅轉變為纖維狀或細小顆粒狀。當Ba含量增至0.50wt.%和1.00wt.%時，如圖2（h）（j）所示，有一些區域重新又出現短棒狀的共晶硅相，出現了過變質現象。

2.2 Ba對力學性能的影響

如圖3所示，未變質合金的抗拉強度為164.5 MPa，隨著Ba含量的增加，Al-7Si-xBa合金的抗拉強度和延伸率先增加后降低。當Ba含量為0.15wt.%時，合金抗拉強度達到最大值，為184.4 MPa，比未變質合金抗拉強度提高了12.1 %；當Ba含量繼續增加，合金的抗拉強度開始下降，當Ba含量為1.00wt.%時，Al-7Si合金的抗拉強度下降到107.9 MPa。未變質的合金的延伸率為10.3%；當Ba含量為0.15wt.%時，延伸率最好，達到15.1 %，相比未變質合金延伸率提高了46.6 %，Ba含量繼續增加，延伸率開始下降，當Ba含量增加到1.0wt.%時，合金的延伸率下降到2.8%。未變質Al-7Si合金的屈服強度為92 MPa。加入Ba元素后，合金的屈服強度均有所下降，當Ba含量為1.00wt.%時，下降至57 MPa。

研究表明[7]，共晶硅的形貌和大小將對Al-7Si的性能產生影響，共晶硅形貌呈現出片狀時，在拉伸過程中容易在輪廓尖銳處產生應力集中，造成微裂紋，加速試樣的失效過程，降低合金的力學性能；共晶硅顆粒的球化和細化程度越高，越有利于合金的力學性能。

當Ba含量為0.05wt.%時，共晶硅轉變為短棒狀或者顆粒狀，減少了共晶硅對基體的割裂作用，當Ba含量為0.15wt.%時，共晶硅轉變為纖維狀或者細小的顆粒狀，共晶硅變質效果更好，抗拉強度和延伸率繼續增大；Ba含量繼續增加到0.50wt.%和1.00wt.%時，部分共晶硅形貌重新變成短棒狀，Si相形貌變得粗大，增大了對基體的割裂作用，增大了在輪廓尖銳處產生應力集中，抗拉強度和延伸率開始下降。endprint

3 結論

（1）Al-7Si合金加入Ba后，共晶硅形貌由粗大的片狀轉變為短棒狀或者細小的顆粒狀。當Ba含量為0.15wt.%時，變質效果最好，較難發現短棒狀共晶硅存在。隨著Ba含量的繼續增加，Si顆粒粗化變為短棒狀，出現過變質現象。

（2）Al-7Si-xBa合金的抗拉強度和延伸率隨著Ba含量的增大呈現先升高后降低的現象，當Ba含量為0.15wt.%時，抗拉強度以及延伸率達到峰值，分別為184.4 MPa和15.1%，抗拉強度和延伸率相比未變質狀態下分別提高了12.1 %和 46.6 %。

參考文獻：

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[6]M.Shamsuzzoha，L.Nastac，A.Haque.Development of high-strength and highly ductile hypo-eutectic Al-Si alloys by nano-refining the constituent phases，Light Metal，2014，365-367.

[7]Hamilton D R，Seidensticker R G.Propagation Mechanism of Germanium Dendrites[J].Journal of Applied Physics，1960， 31（07）：1165-1168.

作者簡介：張進（1991-），男，安徽蕪湖人，碩士，研究方向：鑄造鋁合金合金化處理。endprint