Ce含量对铝硅合金组织与力学性能的影响

赵继涛， 尹冬松， 王振清

(1.黑龙江科技大学 理学院， 哈尔滨150022；2.哈尔滨工程大学 航天与建筑工程学院， 哈尔滨150001)

Ce含量对铝硅合金组织与力学性能的影响

赵继涛1,2， 尹冬松1， 王振清2

(1.黑龙江科技大学 理学院， 哈尔滨150022；2.哈尔滨工程大学 航天与建筑工程学院， 哈尔滨150001)

为研究稀土Ce对铝硅合金的微观组织和力学性能的影响，采用光学显微镜和扫描电子显微镜观察合金的显微组织，并测试了常温显微硬度和冲击性能。结果表明：细化剂Al-5Ti中添加稀土Ce，铝硅合金的显微组织α-Al相由树枝状过渡到块状、球状，共晶Si由针状变为粒状、短棒状，晶粒尺寸变小，合金的硬度、冲击性能也明显提高。Ce质量分数为0.6%时，铝硅合金的晶粒改善最为明显，组织更加均匀；合金硬度较高，为479.51 MPa；合金的冲击韧性最大，达到28.95 J/cm2，较未添加Ce时提高了53.5%；合金断口开始出现少量韧窝，发生混合型断裂。

铝硅合金； Ce； 微观组织； 力学性能； 断口分析

铝合金质轻，铸造、焊接等性能良好，但常规铸造的铝合金晶粒比较粗大，导致其力学性能降低，因此，在工业上大量推广和应用铝合金，首先要解决其晶粒细化问题。向铝熔体中添加细化剂是铝合金结晶组织微细化处理最简便且有效的方法，开始是以Ti、B、Zr等元素的盐类化合物加入，如K2TiF6，KBF4等，20世纪90年代后，以加入Al-Ti、Al-Ti-C和Al-Ti-B为代表的新一代细化剂应用最为广泛[1-3]。另外，大量研究发现在铝合金中添加稀土元素能够有效除氢和减少氧化物夹杂、细化晶粒，从而改善合金的力学性能[4-6]。因此，笔者将稀土Ce以中间合金的形式加入到铝合金熔体中，观察Ce含量不同时铝硅合金组织的变化，并分析其对铝硅合金力学性能的影响。

1 实验材料与方法

1.1 材料制备

制备Al-7Si-1(Al-5Ti-xCe)的材料为纯铝块(99.9%)、速熔硅(99.9%)、Al-5Ti-xCe中间合金，考虑烧损率，加入1.1%中间合金细化剂Al-5Ti-xCe。具体实验过程：配料；坩埚电阻炉预热至700 ℃保温；加入纯铝块，730 ℃保温待铝块完全熔化；加入速熔硅并搅拌，保温20 min；分别加入1～4号细化剂，保温15 min；加入六氯乙烷精炼，静置扒渣；浇注。试样1～4中Ce质量分数分别为0、0.3%、0.6%、0.9%。

1.2 组织观察

从制备铸件的相同部位取样，粗磨平整，用0～6号金相砂纸细磨，试样表面无明显划痕后进行抛光处理，抛光液为Cr2O3水溶液。用体积分数为10%的HF水溶液腐蚀，采用光学显微镜和扫描电子显微镜观察组织形貌。

1.3 力学性能测试

硬度采用正四棱锥体金刚石压头，在试样的不同位置测三次取平均值；使用JB-30B型冲击试验机进行夏比冲击实验，缺口为V型。

2 结果与讨论

2.1 Ce对显微组织的影响

a w(Ce)=0

b w(Ce)=0.3%

c w(Ce)=0.6%

d w(Ce)=0.9%

图1为稀土Ce不同添加量的Al-7Si合金的金相照片，放大倍数为100倍。由图1可见，细化剂中不含稀土Ce时，铝硅合金中初生α-Al呈树枝状，共晶Si呈针片状，枝晶臂比较粗大，枝晶尺寸波动较大；w(Ce)为0.3%时，Si相变质不明显，只是分布变得较分散，初生α-Al由树枝状转变成块状；w(Ce)为0.6%时，α-Al基本上是块状、球状，共晶Si变为粒状，尺寸较均匀；w(Ce)为0.9%时，变质的合金共晶Si为短棒状，α-Al相也变成块状，但是晶粒尺寸分布不均匀，细化效果变得不明显。图1中晶粒平均尺寸依次为76.9、66.7、52.6和58.8 μm，图1c中晶粒平均尺寸仅为a的68.4%。这说明细化剂中添加稀土Ce时，能明显改善铝硅合金组织，细化晶粒。分析认为，这是由于Ce质量分数增加，细化剂提供的异质形核质点也显著增加；共晶Si形貌的改变，则可能是稀土作为大半径原子，易于富集于共晶Si和铝液界面前沿，形成活性膜层，阻碍了共晶硅的长大[7]。

2.2 Ce对硬度的影响

表1为添加Al-5Ti-xCe中间合金细化剂处理后的铝硅合金显微硬度测量结果。从表1可知，随着稀土Ce质量分数的增加，铝硅合金的硬度越来越大。当Ce质量分数为0.6%时，细化剂的细化效果最好，但经Al-5Ti-0.9Ce细化剂处理过的铝硅合金的硬度值最高。原因是稀土元素几乎不溶于Si或Al中，而是富集在共晶硅及共晶Si和Al相之间，使得共晶Si变得细小。由于Al-5Ti-0.9Ce细化剂中稀土元素含量最多，固溶强化和弥散强化共同作用，所以硬度最高。

表1 铝硅合金显微硬度和冲击韧性

2.3 Ce对冲击性能的影响

夏比冲击实验所得冲击韧性实验数据如表1所示。由表1可见，铝硅合金试样的冲击韧性随着细化剂中Ce质量分数的增加在逐渐增大，Ce质量分数为0.6%的铝硅试样冲击韧性最大为28.95 J/cm2，较未添加Ce的试样1冲击韧性提高了53.5%。这是由于试样3中铝合金经细化后，α-Al基本上是块状、球状，共晶Si相由原来的针片状变为粒状，组织更加均匀，晶粒细化效果最好。试样4和试样1的冲击韧性接近，原因可能是试样4中Ce质量分数过高，Ce易与Al3Ti形成铝钛稀土复合相，使异质晶核Al3Ti的数量减少，反而损害了中间合金细化剂的质量，降低了细化效果[8]。

2.4 合金的冲击断口形貌

图2为不同试样冲击断口在扫描电子显微镜下1 000×的显微形貌。图2中试样1分布着片层组织，微观表面较为平坦，断口上有河流花样，断裂以解里断裂方式发生，表明合金的韧性很低而脆性很高，即合金发生脆性断裂。试样2合金断口仍以片层组织为主，但出现撕裂棱，试样3合金断口出现了少量韧窝组织但分布不均匀，此时合金冲击韧性最高，断裂方式为准解理与韧性断裂，即合金发生混合型断裂。试样4断口有较多的光滑台阶面，断裂方式仍以脆性断裂为主，冲击韧性有所降低。

a 试样1

b 试样2

d 试样4

3 结 论

(1)由质量分数为0.6%的Ce细化剂变质的铝硅合金晶粒改善最为明显，组织更加均匀。

(2)经Al-5Ti-xCe细化后的铝硅合金的硬度、冲击性能均有明显提高；稀土元素Ce质量分数为0.6%时，铝合金的冲击韧性最大，达到28.95 J/cm2，较未添加Ce时提高了53.5%。Al-7Si组织的细化是其冲击韧性提高的主要原因。

(3)由试样断口显微形貌可见，不含Ce细化剂处理后铝硅合金断口内部为片层组织，发生脆性断裂。添加Ce后铝硅合金出现韧窝组织，发生混合型断裂，但以脆性断裂为主。

[1] 彭晋民, 钱翰城. 铸态铸造铝硅合金的现状和发展[J]. 铸造技术, 2000, 6(11): 32-34.

[2] 卫少波, 王 璠, 牛志鹏, 等. Al-5Ti-1B细化剂对7075铝合金组织与性能的影响[J]. 有色金属加工, 2014, 42(6): 18-21.

[3] 牛艳萍, 张 鸣, 李 沁， 等. Al-5Ti-1B细化剂对7075铝合金组织与性能的影响[J]. 有色金属加工, 2014, 42(6): 18-21.

[4] 陈鸿玲, 傅高升, 颜文煅. Al-5Ti-1B-0.5RE对A356铝合金的细化效果[J]. 特种铸造及有色合金, 2008, 28(10): 795-797.[5] 李 荣, 陈伦军, 高 宏, 等. 稀土Ce含量与分布状态对铸造铝合金力学性能的影响[J]. 铸造技术, 2013, 34(12): 1615-1616.

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[7] 赵继涛, 尹冬松, 王振清, 等. Al-5Ti-xCe合金制备及对Al-7Si合金微观组织和冲击性能影响研究稀土[J]. 轻合金加工技术, 2016, 44(5): 9-13.

[8] 胡 华. 新型Al-Ti-B-RE细化剂的制备及其细化性能的研究[D]. 南宁： 广西大学, 2014.

(编校 王 冬)

Effect of Ce content on microstructure and mechanical properties of Al-Si alloy

ZhaoJitao1,2,YinDongsong1,WangZhenqing2

(1.School of Science, Heilongjiang University of Science & Technology, Harbin 150022, China; 2.College of Aerospace & Civil Engineering, Harbin Engineering University, Harbin 150001, China)

This paper is motivated by the need for investigating the effect of Ce on the miscrostructure and the mechanical property of Al-Si alloy by observing the microstructure of alloy using optical microscope and scanning electron microscope; and by testing the micro hardness under normal temperature and impact performance. The results demonstrate that the addition of Ce into finer Al-5Ti gives the miscrostructure of α-Al a transition from dendritic to block, ball, allowing eutectic Si to change from needle into granular and short rod, with a resultant smaller grain size and significantly improved impact performance; and the presence of Ce mass fraction of 0.6% is associated with significantly improved properties of Al-Si alloy, resulting in a more homogeneous structure; a higher metal hardness(479.51 MPa); the largest alloy impact toughness, up to 28.95 J/cm2, 53.5% higher than before the addition; and an occurrence of a smaller amount of toughening in alloy fracture, an indication of a mixed fracture.

Al-Si alloys; Ce; microcosmic structure; mechanical properties; fracture analysis

2016-09-28

黑龙江省应用技术研究与开发计划项目(GC13A104)

赵继涛(1982-)，女，黑龙江省齐齐哈尔人，讲师，博士研究生，研究方向：铝合金组织及力学性能，E-mail：70882307@qq.com。

10.3969/j.issn.2095-7262.2016.06.013

TG146.21； TG113.2

2095-7262(2016)06-0649-04

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