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Zr含量对Er变质Al7Si0.3Mg合金组织及力学性能的影响.pdf

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1、第14卷第3期2024年3 月doi:10.3969/j.issn.2095-1744.2024.03.004有色金属工程Nonferrous Metals EngineeringVol.14,No.3March2024Zr含量对Er变质AI7Si0.3Mg合金组织及力学性能的影响李玉章12,孙彦华12,吉全鑫,冯炜光12,李雨耕1.2,包稚群1,2(1.昆明冶金研究院有限公司,昆明6 50 0 31;2.有色金属强化冶金新技术国家重点实验室,昆明6 50 0 31;3.昆明理工大学材料科学与工程学院,昆明6 50 0 9 3)摘要:在含0.3%Er的A17Si0.3Mg合金中添加Zr,通过光

2、学显微镜(OM)及扫描电子显微镜(SEM)对试样的显微组织进行表征,用高分辨X射线衍射仪(XRD)进行物相组成分析,并测试其力学性能,研究不同含量的Zr对合金微观组织形貌以及力学性能的影响。结果表明,添加Zr元素后,Zr与Er形成了第二相颗粒AlEr和Al:Zr,这些第二相粒子在铝液凝固过程中起到双重形核和细化作用,显著细化-AI和共晶Si的分枝,提高了合金的力学性能。但若Zr添加过多,则会和Er在合金内部形成过多的金属间化合物,削弱变质效果,引起抗拉强度和延伸率下降。Zr含量为0.2%时效果最好,其抗拉强度达到18 2 MPa,伸长率为6.4%,较未添加Zr元素的合金抗拉强度和伸长率分别提高

3、了16.7%和33.3%。关键词:变质;第二相;合金组织;晶粒细化;力学性能中图分类号:TG146Effect of Zr Content on Microstructure and Mechanical Properties of文献标志码:AEr Modified A17Si0.3Mg Alloy文章编号:2 0 95-17 44(2 0 2 4)0 3-0 0 2 7-0 7LI Yuzhang”,SUN Yanhua2 JI Quanxin,FENG Weiguangl,LI Yugengl-,BAO Zhiqunl-?(1.Kunming Metallurgy Research In

4、stitute,Kunming 650031,China;2.State Key Laboratory of Advanced Metallurgy for Non-ferrous Metals,Kunming 650031,China;3.Faculty of Materials Science and Engineering,Kunming University of Science and Technology,Kunming 650093,China)Abstract:Add Zr to Ai7Sio.3Mg alloy containing 0.3%Er,characterize t

5、he microstructure of the sample usingOptical Microscopy(OM)and Scanning Electron Microscopy(SEM),analyze the phase composition using high-resolution X-Ray Diffraction(XRD),and test its mechanical properties.Study the effect of different contents of Zr onthe microstructure morphology and mechanical p

6、roperties of the alloy.The results showed that after adding Zrelement,Zr and Er formed second phase particles Al,Er and Al.Zr,which played a dual nucleation and refinementrole in the solidification process of aluminum liquid,significantly refining-Al.The branching of Al and eutectic Siimproves the m

7、echanical properties of the alloy.But if Zr is added too much,it will form too many intermetalliccompounds with Er inside the alloy,weaken the modification effect,and cause a decrease in tensile strength andelongation.The best effect is achieved when the Zr content is 0.2%,with a tensile strength of

8、 182 MPa and anelongation of 6.4%,which is 16.7%and 33.3%higher than the alloy without the addition of Zr element in terms oftensile strength and elongation,respectively.Key words:metamorphism;second phase;alloy structure;grain refinement;mechanical properties收稿日期:2 0 2 3-0 9-2 5基金项目:云南省重大科技专项计划资助项目

9、(2 0 2 10 2 AB080015,2 0 2 10 2 A B0 8 0 0 0 4,2 0 2 2 0 2 A B0 8 0 0 0 6)Fund:Supported by Major Science and Technology Special Program of Yunnan Province(202102AB080015,202102AB080004,202202AB080006)作者简介:李玉章(198 2 一),男,硕士,高级工程师,主要研究方向:有色金属材料制备及加工。通信作者:冯炜光(198 1一),男,硕士,高级工程师,主要从事有色金属治炼及材料研究。引用格式:李玉

10、章,孙彦华,吉全鑫,等.Zr含量对Er变质A17Si0.3Mg合金组织及力学性能的影响J.有色金属工程,2 0 2 4,14(3):2 7-33,8 1.LI Yuzhang,SUN Yanhua,JI Quanxin,et al.Effect of Zr Content on Microstructure and Mechanical Properties of Er Modified Al7Sio.3MgAlloyLJJ.Nonferrous Metals Engineering,2024,14(3):27-33,81.28铸造亚共晶Al-Si合金因具有良好的综合性能而成为应用最广泛的铸造

11、铝合金11,其具有密度小、铸造收缩率低、热膨胀系数低以及焊接性、耐磨性和耐蚀性优良等特点2-4,可适于制造轻且致密度不高、形状复杂、能满足一定力学性能要求的铸件。该类合金既满足了市场对结构件所需性能的要求,又符合“轻量化”减少能耗的环保主题,因此被广泛应用于交通工业制造领域。在亚共晶A1-Si合金体系中,A356合金应用最为广泛,此合金中Si含量约为6.5%8%,Mg含量为0.2 5%0.45%,具有价格适中且满足轻量化的优点,常用于制造汽车轮毂及车身。在室温理想平衡状态下,A17Si0.3Mg合金组织主要由-Al固溶体、(十)Al-Si共晶组织以及从-Al固溶体析出的Mg2Si相组成。然而在

12、实际情况下,由于非平衡状态凝固会形成粗大的-Al枝晶、片状共晶 Si和针状富Fe金属间化合物,这些粗晶结构的存在降低了合金的强度和延伸率。为了提高合金的力学性能,主要手段有细化粗-Al枝晶、变质改善共晶Si形貌、消除针状富Fe金属间化合物以及通过热处理改善合金的组织形貌等5-6 。在过去的几十年里,研究人员非常重视通过添加微量细化剂与变质剂来调整合金的化学成分,细化-Al以及变质共晶Si组织,从而使合金铸件的力学性能满足一定的工业需求7-8 。有研究表明,在Al-Si-Mg合金中加入适量的稀土和过渡金属元素,SamplesMgAA17Si0.3Mg+0.3%ErBA17Si0.3Mg+0.3%

13、Er+0.1%ZrCA17Si0.3Mg+0.3%Er+0.2%ZrDA17Si0.3Mg+0.3%Er+0.3%Zr将上述浇铸棒沿距底部2 0 mm的位置横切后制备出样品,通过40 0#2 0 0 0#砂纸研磨,然后用0.5m抛光膏抛光,再用0.5%HF溶液腐蚀并用酒精冲洗,制备出金相样品,经深腐蚀后抛光并用36%盐酸溶液对其微蚀2 0 2 5.s,然后用酒精冲洗。用VMM5000光学显微镜以及ASM一SX扫描电子显微镜对其显微组织进行表征,并用Smartlab9kW高分辨X射线衍射仪进行物相组成分析。力学性能实验按照国家标准GB/T228.1一2 0 10,将浇注的实验棒加工成规格长度为1

14、0 0 mm的标准拉伸试样,在电子万能试验机(CMT5105)上以有色金属工程可以显著强化并改善合金的力学性能,这是由于在枝晶内区域形成了额外的沉淀物。XU等10 1研究发现,在A356合金中复合添加Sc、Zr 可以大大细化晶粒,改变有害的粗共晶Si结构和针状含铁相形态,在热处理态下含Sc0.19%、Zr 0.2 2%的合金强度和塑性达到最大值,其强度可达2 98 MPa,伸长率可达8.4%,并且发现了Al.(Sc,Zr)强化粒子。COLOMBO等11发现,将0.2 5%Er和0.6%Zr共同添加到A356合金中时,由于形成Al:(Er,Zr),不仅使-Al从枝晶转变为球状,减小了晶粒大小,而

15、且共晶Si也得到进一步的细化,力学性能也表现出复合添加Er、Zr 的合金优于单一添加Er的合金。本文通过对A17Si0.3Mg基于含0.3%Er变质后的合金中添加Zr,研究不同含量的Zr对合金微观组织形貌以及力学性能的影响。1实验以A356和Al-20Er、A l-10 Zr 的中间合金为原材料,先将原材料在真空干燥箱中干燥后,用电阻式埚炉(SG-12-13)在7 50 8 0 0 下将A356熔化成铝液,采用高纯惰性气体和无钠精炼剂进行除气除杂处理,然后分别添加Al-20Er、A l-10 Zr 中间合金保温2 0 min,再次进行除气除杂处理,最后将合金熔体在7 2 0 下浇人2 50 预

16、热钢模中凝固成15 mm的浇铸棒。表1为XRF测得的各组试样的成分含量。表1各组试样成分含量Table 1(Composition of each group of samplesSi6.927.257.107.08第14卷/%TiFe0.330.120.340.110.330.140.320.133 mm/min的拉伸速率进行测试。22结果与分析2.1Zr对A356合金铸态微观组织的影响以A17Si0.3Mg十0.3%Er为基础样,通过添加不同含量的Zr来研究Zr元素对合金微观晶粒组织以及共晶硅形貌的影响,结果如图1所示。为了更直观、准确地对比不同Zr添加量对合金-Al组织形貌的细化效果,深

17、腐蚀后的样品如图2 所示,并使用Image ProPlus软件统计了-Al的平均晶粒尺寸大小,结果参照图3。Er0.100.310.090.280.100.290.110.28Zr一0.090.180.29A1Bal.Bal.Bal.Bal.第3期李玉章等:Zr含量对Er变质A17Si0.3Mg合金组织及力学性能的影响(a)0%Zr29(b)0.1%ZrEutectieDendriticofa-Al100um100.um(c)0.2%Zr(d)0.3%ZrPetal-likea-AlPetal-likea-Al100um图1合金铸态-AI组织形貌Fig.1 Microstructures an

18、d morphologies of-Al in as-cast alloy(a)0%Zr100m(b)0.1%Zr1 000 m(c)0.2%Zr1.000m(d)0.3%Zr1000 m图2 合金深腐蚀后晶粒形貌Fig.2Grain morphologies of alloies after deep corrosion000 m30700600500400300200F1000图3晶粒尺寸随Zr含量变化统计结果Fig.3 Statistical results of grain size variation with Zr content从图1可看出,四个样本都显示由共晶硅和不同类型的金属

19、间化合物包围的初生-Al枝晶组成。当未添加Zr时,-Al由较为粗大的连续的树枝状(a)0%Z有色金属工程晶组成,且分布不均匀(图1(a)),平均晶粒尺寸约为543m(图2 a));当添加0.1%Zr时,-Al的分布较为均匀,且形貌有向等轴晶转变的趋势(图1(b)),平均晶粒尺寸开始下降,约为312 m;当Zr含量为0.2%时,-A1被细化效果明显,出现了大量的花瓣状-Al基体形貌(图1(c)),平均晶粒尺寸细化明显,约为16 6 m,极大地改善了铸态合金的显微组织;进一步添加Zr含量达0.3%时,-Al仍呈现出花瓣状,且平均晶粒尺寸约为17 7 m,但其细化效果相对于含0.2%Zr的合金变化不

20、大。0.10.2W(Zr)/%第14卷0.3为了进一步了解Zr对含0.3%Er的合金中共晶Si的细化作用,对不同Zr含量的合金进行了深腐蚀处理并采用SEM分析了合金中共晶Si三维立体形貌的变化,如图4所示。从图4中可以看出,经0.3%的Er变质后共晶硅形貌呈珊瑚状(图4(a);当添加了0.1%,Zr元素后,共晶Si分支变开始变得(b)0.1%ZtEutectie SiEutectieSiLm(c)0.2%Zr(d)0.3%ZrEutecti:SiEutectie Si5 um图4深腐蚀后合金共晶Si组织SEM形貌Fig,4 SEM images of eutectic Si after dee

21、p corrosionJum第3期细小(图4(b));进一步添加0.2%Zr时,共晶Si主干和分枝都得到了细化(图4(c));添加过多的Zr时,共晶Si分枝和主干开始聚集,并出现粗化的过变质现象(图4(d)。说明在Er变质共晶Si的基础上添加Zr可以进一步细化共晶Si,使其形貌变得更加细小,但添加过多的Zr会和Er在合金内部形成过多的金属间化合物,降低了合金中Er、Zr 元素对共晶Si所需变质的有效含量,从而削弱了变质效果12 12.2Zr对合金细化变质机理为确定Zr对铸态合金的强化机理,首先使用面积扫描法,图5显示了有关元素(Al、M g、Si、Er、Zr)李玉章等:Zr含量对Er变质A17

22、Si0.3Mg合金组织及力学性能的影响31的分布情况。从图5可以看出,Si元素几乎沿晶界分布,而Er、Zr 较为均匀地分布在合金内部,它们不仅会固溶于-Al基体中,还会存在于Al-Si共晶组织中。通过对面扫描图的分析可知,Er、Zr 添加到A356合金中后,随着合金熔炼凝固的进行,首先一部分溶人到-Al组织中,另外一部分留在铝熔体中,当温度下降到共晶温度点时,剩余液相则发生L-Al+Si共晶反应,此时的Er、Zr 元素则开始对共晶 Si产生细化变质作用。因此可以说明Er、Zr这两种元素对-Al的细化和共晶 Si 的变质都有所影响13。SE1MgKmHmATKSiK2umErLLm图5AI7Si

23、0.3Mg+0.3%Er+0.2%Zr合金局部面扫描图像Fig.5 Partial surface sweep images of A17Si0.3Mg+0.3%Er+0.2%Zr alloyZL32图6 为合金中金属间化合物的形态以及分布的SEM图像和EDS结果。与基体衬度相差较大的亮白色金属间化合物为富Er或Er、Zr 相,如图6 中A、B、C点所示。为了分析合金中起到强化作用的第二相,图7为金属间化合物的XRD图谱,从图谱中可以看出,有色金属工程不仅有Al、Si相,还有AlsEr和 AlZr相。有研究表明,当在含Er的合金中加入Zr元素后,首先降低了Er在铝合金中的溶解度,形成了较低的共

24、晶成分,导致Al,Er的密度增加141。此外,Zr元素倾向于部分取代Er形成L12结构的Als(Er,Zr),随着Zr的取代量的增加,晶格参数和错配度都逐渐减小,第14卷AlKaPoint BElementWV%49.1813.6932.53At/%65.97 17.6507.04siKaErLaFK024681012141618WDHVmag口9.7mm24.83kV4000 xA150mE/keVuaSiErZTAIKaPoint AElementAIW/%66.2116.8701.8111.70At/%75.1718.4000.3303.93Point CA1KaSiErZTElemen

25、tWt/%67.3810.9114.75At/%74.23 11.5402.62AISiErZrSiKaZrKaTiKa022040图7AI7Si0.3Mg+0.3%Er+0.2%Zr合金XRD图谱Fig.7XRD pattern of A17Si0.3Mg+0.3%Er+0.2%Zr alloysiKaFKErLaOK46E/keV图6AI7Si0.3Mg+0.3%Er+0.2%Zr合金EDS结果Fig.6EDS results of AI7Si0.3Mg+0.3%Er+0.2%Zr alloyAlSiAl,ErAl,Zr608020/()ErLa81012100140这种微粒和Al之间的错

26、配度比AlEr更小,因此Al:(Er,Zr)可以作为Al更加有效的异质形核核心,能抵抗粗化,抑制晶粒的生长,起到钉扎作用,为细化-AI提供更多的异质形核点,减小了二次枝晶间距,有效地起到晶粒细化的作用,因此Er和Zr共同加人铝合金的晶粒细化效果更好15-17。2.3Zr含量对合金力学性能的影响不同Zr元素含量的合金的力学性能如图8 所示。未添加Zr的合金抗拉强度为156 MPa,伸长率为4.8%;当添加0.1%Zr时,合金抗拉强度达到169MPa,伸长率为5.2%;当Zr含量为0.2%时,其抗拉强度达到了18 2 MPa,伸长率为6.4%,相对于未添加Zr元素的合金抗拉强度和伸长率分别提246

27、81012E/keV141618第3期高了16.7%和33.3%,但进一步提高Zr含量至0.3%时,其抗拉强度和伸长率分别为17 6 MPa和6.2%,均开始下降。190180F1701601501400图8 不同Zr含量的合金铸态力学性能Fig.8 Mechanical properties of alloys cast with differentZr contents3结论1)随着Zr元素的添加,-A1基体形貌有向等轴晶转变的趋势,并且在含0.2%Zr时出现了花瓣状形貌,二次枝晶间距也随即减小,对共晶Si的分枝也起到进一步细化的作用。2)Zr细化机理是与Er 形成了第二相Al;Er 和A

28、l:Zr相,且Zr可以取代部分Er形成Als(Er、Zr),这些第二相粒子在铝液凝固过程中起到双重形核和细化作用,提高形核率,同时沉淀的稀土元素引起-A1的晶格畸变,从而起到细化变质的作用。3)当Er含量为0.3%、Zr含量为0.2%时,合金的抗拉强度和伸长率分别为18 2 MPa和6.4%,较未添加Zr的合金分别提高了16.7%和33.3%。参考文献:1 1BUFFIERE J,SAVELLI S,JOUNEAU P H,et al.Experimental study of porosity and its relation tofatigue mechanisms of a model

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