添加微量金屬元素影響AlSi7Mg合金性能的研究綜述

趙 娜, 朱隨群, 曹 懿

(天合汽車(科技)有限公司, 上海 201814)

AlSi7Mg合金是美國于20世紀70年代研制的鋁合金,具有密度小、比強度高、延展性好,以及鑄造流動性好、氣密性好、收縮率小和熱力傾向小等優點,可通過熱處理和變質處理提高其力學性能和耐腐蝕性。另外,AlSi7Mg合金具有價格合適和質量輕等優點,常用于發動機引擎鑄件,但會出現開裂問題。為了更好地滿足產品需求,可通過添加合金元素,細化共晶硅組織,形成Mg2Si第二相強化[1-2],增加其力學性能。因此,通過變質處理以提高鑄造AlSi7Mg合金的力學性能和耐腐蝕性能對鋁合金的發展具有重要意義。本文綜述了微量金屬元素加入鑄造AlSi7Mg合金的研究進展。

1 添加金屬元素對AlSi7Mg合金性能影響的研究進展

研究者發現,可以通過加入變質劑,改變鑄造鋁合金的組織結構,從而提高其力學性能。本節對AlSi7Mg合金分別添加堿土金屬Sr、主族金屬Sb、過渡金屬Cu和Zr后的變質效果進行了綜述。研究結果如表1所示。

表1 添加金屬元素對AlSi7Mg合金力學性能的影響

1.1 加入堿土金屬Sr元素

Sr元素加入A356后,Sr元素本身并沒有明顯的晶粒細化作用,但是可以激活更多的形核核心,提高晶核形成溫度,降低共晶點,通過影響凝固過程改善基體和第二相組織,提高力學性能。趙后亮等人[3]研究發現,當Sr元素含量為0.03%時,其抗拉強度為204.00 MPa,伸長率為10.40%,布氏硬度為62.4 HB,共晶硅為細小的纖維狀,合金性能最好。姜峰等人[4]研究發現,當在A356中加入0.04%的Sr元素時,細小的顆粒狀和蠕蟲狀的共晶硅均勻分布在鋁基體上,其抗拉強度為215.00 MPa,伸長率為4.04%,布氏硬度為56 HBW。與Sb元素和Cu元素相比,Sr元素價格略高。

1.2 加入主族金屬Sb元素

Sb元素加入A356變質后,其合金性能比加入Sr元素更好,增加了合金的致密度,且Sb元素變質效果具有長效性。曾耀華等人[5]在A356合金中加入0.40%的Sb元素,發現合金的形核溫度降低,過冷度提高,且共晶Si組織從粗大的板條狀結構變為細小的纖維狀結構,力學性能也得到了很大提高,抗拉強度和伸長率分別為189.00 MPa和11.30%,在T6熱處理后其抗拉強度和伸長率分別為266.00 MPa和13.30%。申玉彬等人[2]研究認為,Sb元素的變質效果不如Sr元素,但在Sb元素的基礎上加入少量Re元素,可提高變質效果。雖然其抗拉強度和伸長率比Sr元素的變質合金稍差,但是其疲勞性能明顯優于加入Sr元素的變質合金。

1.3 加入過渡金屬Cu元素

加入Cu元素后,合金組織可以細化,但加入Cu元素也會導致鋁硅鎂合金的硬度提高。SHABESTARI S G等人[6]在AlSi7Mg0.35合金中加入0.20%～2.50%的Cu元素時,研究結果表明,不同的Cu元素含量對材料的性能具有很大的影響。朱志華等人[7]的研究結果表明,Cu元素能明顯提高A356合金的強度,不僅細化α-Al相,而且使共晶Si由棒狀轉變為細小的顆粒狀。當Cu元素的含量為2.5%時,合金力學性能最佳,在T6熱處理后,其抗拉強度及伸長率分別為322.00 MPa和4.60%。

1.4 加入過渡金屬Zr元素

Zr元素可以作為鋁合金中有效的細化晶粒和抑制再結晶的添加劑。夏峰等人[8]在A356鋁合金中加入少量Zr元素,結果表明,當Zr元素的比重占0.05%～0.25%時,具有明顯的α-Al細化效果且能改善共晶硅分布狀態。當Zr元素的比重占0.20%時,抗拉強度和伸長率分別達到最大值175.11 MPa和4.80%。

2 添加稀土元素對AlSi7Mg合金性能影響的研究進展

由于稀土元素不僅能夠細化共晶硅,而且在鑄造過程中具有除渣除氣的效果。因此,研究者對添加稀土元素影響變質鋁合金的組織及其力學性能進行了研究。研究結果如表2所示。

表2 添加稀土元素對AlSi7Mg合金的力學性能的影響

LI B等人[9]研究了Y元素對AlSi7Mg0.5合金的組織和力學性能的影響。當Y元素的含量為0.30%時,在T6熱處理下,其抗拉強度與伸長率分別為353.00 MPa和12.10%。鄧月華等人[10]用稀土元素Y對AlSi7Mg0.3合金進行了變質處理,結果表明,加入Y元素可以細化共晶Si,合金強度稍有下降。但當稀土元素Y的含量為0.06%時,合金伸長率可達12.50%。MAO F等人[11]研究發現,采用Eu元素變質,AlSi7Mg合金中Si的第二相為纖維狀共晶硅,當Eu元素的含量為0.10%時,在T6熱處理下,其抗拉強度和伸長率分別為265.00 MPa和14.70%。PRAMOD S L等人[12]研究認為,在AlSi7Mg合金中加入Sc元素后,Sc與Al可形成細小均勻分布的Al3Sc顆粒,提升合金的抗拉強度與硬度。黃吉等人[13]研究發現,當Sc元素的添加量為0.20%時,可細化共晶硅,其鑄態下抗拉強度為210.58 MPa,伸長率為6.50%,布氏硬度為67.5 HB。

WATTANACHAI P等人[14]研究了Sc元素對AlSi6Mg0.25的變質行為,發現Sc元素加入量在 0.25%時,對共晶硅第二相有一定變質作用,其效果與 Sr 元素相似。ZHANG W D[15]進一步指出,Sc 對初生 α-Al 有一定細化作用,Sc 可以與 Al 形成細小均勻分布的 Al3Sc 顆粒,提升合金抗拉強度與硬度。PUPARATTANAPONG K等人[16]研究發現,當Sc元素的重量為0.20%時,由于晶粒細化和共晶硅的組織改善,增加了合金的流動性,避免了熱裂。李俊頎等人[17]在AlSiMg合金中加入Er元素后發現,粗大針狀共晶Si細化為短桿狀;當Er元素含量為0.30%時,在鑄態條件下,其抗拉強度和伸長率分別為182.47 MPa和11.86%;經過T6熱處理后,其抗拉強度達到最大值298.00 MPa。

李曉燕等人[18]研究發現,當Er元素含量為0.40%時,細化效果最顯著,抗拉強度和伸長率均達到最大值。PANDEE P等人[19]研究認為,AlSiMg合金中加入Er元素后,在形核過程中,Er與P更容易形成ErP而阻止其形成AlP,同時,優化了共晶硅和鋁基體等組織結構,改善了其力學性能。當Er元素重量占0.20%時,性能最佳,經T6熱處理后,其抗拉強度和伸長率分別為280.00 MPa和3.30%。QIU H X等人[20]研究了Sm元素對AlSi7Mg0.7合金的影響,當Sm元素的含量為0.60%時,其抗拉強度和伸長率分別為215.00 MPa和3.30%。

TANG Q等人[21]通過在AlSi7Mg0.3合金中加入Nd元素發現,當加入少量的Nd(0.03%)元素后,pi-AlSiMgFe相的數量增多;通過T6熱處理后,其抗拉強度和伸長率分別為302.00 MPa和3.10%。TSAI Y C等人[22]研究發現,添加1.00%的La元素到AlSi7Mg合金中,對其微觀組織和機械性能的影響規律與0.01%Sr元素的變質效果相似。

3 復合添加對AlSi7Mg合金性能影響的研究進展

研究者對通過采用單一元素進行變質處理進行研究外,也對多種稀土元素、稀土元素和其他金屬元素復合添加進行了相關研究。研究結果如表3所示。

表3 復合添加對AlSi7Mg合金力學性能的影響

3.1 復合添加多種稀土元素

李豹[23]在AlSi7Mg合金中復合加入Y元素和Yb元素,研究結果表明,稀土元素(Y和Yb)變質合金效果與冷卻速度有關,冷卻速度較慢時只能細化硅相,當冷卻速度接近臨界速度時,可將共晶硅變質為纖維狀。何兵等人[24]通過添加復合微量元素Sc元素和Y元素后,發現A356合金組織中形成了Al3Sc和Al3Y強化相,α-Al基體得到明顯細化,大部分共晶Si形態由片狀向顆粒狀轉變,合金的抗拉強度和延展性得到明顯提高。當添加0.2%的Sc元素和0.2%的Y元素時,合金抗拉強度和伸長率分別達到254.00 MPa和5.30%,布氏硬度達到106 HBW。

ZHANG S C等人[25]通過加入Yb和La元素復合變質劑對鋁硅鎂合金的影響進行了研究,結果表明,晶粒進一步被細化,共晶硅從針狀結構到細小的球狀結構,共晶溫度也有所降低;經過T6熱處理后,其抗拉強度和布氏硬度分別為279.00 MPa和99.2 HBW。

3.2 復合添加稀土和其他金屬元素

何斌峰等人[26]發現,在AlSi7Mg合金中加入0.05%的Sr元素和0.45%的Ce元素時,變質效果最佳,該條件下獲得的基體晶粒比加入同等量的0.50%的Ce元素時的晶粒更加細小,說明加入少量的Sr元素可顯著提高合金的變質效果。LIU W Y等人[27]的研究結果表明,單獨添加Gd元素或Zr元素會很大程度上細化晶粒,但對共晶硅的微結構幾乎沒有影響;當同時添加Gd元素和Zr元素時,可顯著細化共晶硅和改變其形態狀纖維。結合添加Gd元素和Zr元素,能減少孿晶和共晶硅的尺寸。在添加0.40%的Gd元素和0.50%的Zr元素的條件下,其力學性能最好。湖南大學孫莉[28]在AlSi7Mg0.35合金中添加3.60%的Cu元素和0.15%的Ce元素發現其在T6條件下合金抗拉強度提高50%以上,且抗拉強度隨Cu元素含量增加而提高,最高達到395.70 MPa,伸長率達到5.50%。天津大學沈小岑[29]系統地研究了單獨或復合添加Sc元素,Ti元素,Zr元素對A356/7合金的影響,結果表明,相對于只加入單一Sc元素,復合添加 Zr和Ti或Ti和Zr元素具有明顯的晶粒細化效果。當加入0.19%的Sc元素和0.22%的Zr元素時,在T6熱處理條件下,抗拉強度和伸長率分別為298.00 MPa和8.40%;當Sc元素和Ti元素的質量分別占0.30%和0.35%時,形成了Al3Ti和Al3(Sc,Ti)二次相,晶粒細化效果最佳,在T6條件下其抗拉強度和伸長率分別287.00 MPa和3.62%;當Sc,Zr,Ti元素的質量分別占0.29%,0.19%,0.09%時,形成了Al3(Sc,Zr,Ti)相,在T6條件下其抗拉強度和伸長率分別299.00 MPa和22.00%。

3.3 復合添加多種其他金屬元素

王爽[30]研究了添加Cu和Cr元素對A356鑄鋁合金力學性能的影響。結果發現,加入0.50%的Cu元素和0.35%的Cr元素時,該合金的抗拉強度、屈服強度、伸長率、硬度和蠕變性能比A356合金分別提高了11.68%,13.14%,5.76%,17.28%,23.05%。

4 結 論

通過對微量金屬元素加入鑄造AlSi7Mg合金的研究現狀的綜述可以發現,微量金屬的添加可以細化鋁基體和共晶硅組織,改善其力學性能。具體如下。

(1) 通過對比Sr,Sb,Cu,Zr元素加入AlSi7Mg合金的力學性能指標發現,Cu元素對其抗拉強度的提高最大;其次是Sr元素,Sb元素對其抗拉強度和伸長率比Sr元素的變質合金稍差,但其疲勞性能明顯優于Sr元素的變質合金;Zr元素的變質效果最差。

(2) 加入稀土元素都能明顯提高AlSi7Mg合金的抗拉強度和伸長率,其中,稀土Y元素的變質效果最佳。

(3) 復合添加稀土元素到AlSi7Mg合金后,與單一添加稀土元素相比,沒有特別明顯的改變其組織和力學性能。復合添加主族金屬與稀土元素,比單一添加主族金屬元素的合金力學性能更好。

可見,提高AlSi7Mg合金的力學性能,主要是通過細化基體和共晶組織或增加強化相。元素添加不僅可以細化組織,而且也可以形成新的強化相。為了能夠滿足高端制造業的需求,需要研發變質效果好、低吸氣性、對環境污染小的元素。整體來說,稀土元素的變質效果穩定,對環境影響小,是今后研究的重點。