原标题：Zn对压铸Al-Si合金共晶Si的粗化及粗化后变质处理

摘要：通过微观组织观察和力学性能测试等方法，研究了Zn元素对压铸Al-10Si-0.3Mg-0.6Mn合金的影响，在此基础上进行Sr和RE的变质处理，获得了一种综合性能良好的压铸铝合金。结果表明，Zn元素的固溶强化使合金的强度得到提升，但原来细小的共晶Si变得粗大，出现长条状和块状的硅，合金伸长率下降。加入400 ppm的Sr和0.1%的La/Ce混合稀土使粗化的共晶Si重新得到细化，最终获得的合金的屈服强度为167 MPa、抗拉强度为324 MPa、伸长率为10.2%。

压铸铝合金具有较高的比强度、良好的铸造性能、加工性能、可再生性能以及优良的导电导热性能，广泛应用于汽车、航空航天和电器工业等领域。Al-Si压铸合金因结晶温度区间小、硅相凝固结晶潜热和比热容大、线收缩率小、且具有良好的流动性能、充型性能和较小的热裂、缩松倾向，广泛应用。但传统的压铸Al-Si合金塑性较差，难以满足汽车行业高速发展的要求。为满足性能要求，目前主要通过引入强化元素来实现性能改善，另外通过变质共晶Si提高合金的塑性。

压铸Al-Si合金中常见的强化元素有Mg、Cu等，Mg可与Si形成Mg2Si，在合金组织中弥散析出起到强化作用，提高合金的屈服强度；Cu可作为合金中的固溶元素，同时可与Al形成Al2Cu相，起到固溶强化和析出强化的作用，提高合金的屈服强度和抗拉强度。在Al-Si合金中Zn元素很少作为强化元素进行研究，张晓丽探究了Zn对Al-Si-Cu-Mg合金组织和性能的影响，发现在1%含量范围内Zn可促进Si相的圆整化，提升合金的硬度、强度，但伸长率 降低。杨承志等[17]、YASIN A等进一步扩大了Zn的含量，研究了质量分数超过1%的Zn对近共晶铝硅合金性能的影响，发现当Zn含量超过1%，合金的强度和硬度随着Zn含量增加而提升，伸长率下降，合金中共晶Si尺寸增加，出现片状和针状。赵浩峰等的研究也得到类似的结论。Zn添加至Al-Si合金中，当含量超过1%会使共晶Si尺寸增大。显然，Zn的引入能够提升合金的强度，但由于粗化共晶Si，导致伸长率下降。目前的研究主要集中在重力铸造，对于Zn元素粗化共晶Si的原因未给出解释，同时也没有给出解决方案。因此，有必要研究在压铸快速冷却的条件下Zn对Al-Si合金组织性能的影响，与此同时引入变质元素，解决共晶Si粗化的问题。

本课题选取Al-10Si-0.3Mg-0.6Mn作为研究对象，采用压铸方式，加入2.5%的Zn，之后进一步加入Sr和La/Ce对合金进行变质处理，探究不同元素对合金力学性能、组织特征、断裂行为的影响，从而获得一种高强高韧压铸铝合金。

1、试验设备与试验合金

试验中选择Al-10Si-0.3Mg-0.6Mn压铸铝合金(Z1合金)作为基础合金，依次加入2.5%的Zn、400ppm的Sr、0.1%的La/Ce混合稀土，获得合金Z2、Z3、Z4，以纯Al、Si、Mg、Zn和Al-10Mn、Al-10Sr、Al-10(La/Ce) 中间合金为原材料。合金的实际成分通过光谱和ICP测定，见表1。图1为压铸模具和拉伸棒尺寸，拉伸试棒尺寸根据GB/T13822-2017设计。

表1:合金实测成分  wb/%

图1:压铸模具和拉伸试棒尺寸

拉伸设备为Zwick/Roell-20kN万用拉伸机，拉伸试验在室温下进行，每种合金成分试棒随机选取5根，拉伸曲线通过附在拉伸机上的引伸计得到，标距为50 mm，拉伸速率为1 mm/min。通过X射线衍射（XRD）鉴别合金中的相组成，X射线光源为Cu靶。从拉伸试样切取1~2 mm进行镶样，经过机械研磨、抛光后，用HF溶液(0.5mL的HF、100mL的H2O)进行腐蚀，利用Zeiss Axio光学显微镜进行OM观察，Apollo300 扫描电镜进行高倍显微组织、断口观察和能谱分析，通过Image Pro6.0进行晶粒尺寸分析并获得α-Al面积分数。TEM(transmission electron microscope)观察在JEM-2100F上进行。

2、试验结果和讨论

2.1 微观组织分析

图2为压铸Al-10Si-0.3Mg-0.6Mn合金的典型微观组织，拉伸试棒截面可分为A、B、C3个区域，在距离试样表面1 300~1 500 μm处有一圆环，宽度大约为200 μm(见图2a中B区域)，由于该处缺陷一般较多，称为缺陷环。缺陷环可认为是试样表层组织和心部组织的分界区域。图2b~图2d是3个区域的进一步放大OM照片，可见表层组织由于冷却速率大，α-Al晶粒尺寸细小且都呈现蔷薇状，明显小于另外两个区域；心部组织中α-Al存在两种形态，一种尺寸小、形态圆整，另一种尺寸明显偏大(见图2d中圆圈内)，这些晶粒可能是在料筒中的结晶组织，随后被金属液冲刷至试棒中继续长大所致。

(a)低倍整体形貌 (b)A区域组织 (c)B区域组织 (d)C区域组织
图2:合金Z1典型组织OM照片

表2为各合金的初生α-Al平均晶粒尺寸(等效直径，包括预结晶组织在内) 和面积分数(初生α-Al总面积/(初生α-Al总面积+共晶区总面积))。3个区域中，缺陷环上α-Al面积分数低于其他两个区域，即缺陷环上共晶区面积分数更高。从α-Al平均晶粒尺寸看，加入Zn后对晶粒尺寸的影响不大，Z1合金各区域晶粒尺寸均大于另外3种合金，在Z1合金中可以看到更多预结晶α-Al。有研究表明，加入La/Ce元素能够细化初生α-Al，在此次试验中这种变化不明显，无法排除统计误差。

表2:初生α-Al平均晶粒尺寸和面积分数

图3为不同成分合金的SEM照片。可以看出，Z1合金中共晶Si尺寸基本在1 μm左右，多为圆点状；只有少部分是超过1 μm的长条状，这可以保证合金的伸长率。Z2合金中共晶Si明显更粗大，达到3~4 μm，不仅长度增大，宽度也增大，部分为折线型(图5b中红色圆圈内)；在尺寸粗大的共晶Si中间存在少量细小的Si相。由于尺寸增大，共晶Si间距增大。加入Sr元素后，共晶Si尺寸得到一定的细化，但和Z1合金相比，更多的还是条状的共晶Si。Z4合金中共晶Si尺寸进一步减小，可以看到很多点状的硅，尺寸甚至比Z1合金更小，只是在α-Al晶界处存在少量尺寸大的硅。

(a)合金Z1 (b)合金Z2 (c)合金Z3 (d)合金Z4
图3:不同合金的SEM形貌

对4种合金进行XRD分析，结果见图4，可见加入Zn元素组织中未出现新的相，还是主要由α-Al、Si以及Al(Fe/Mn)Si相组成。图5a、图5b分别是是Z2合金和Z4合金的EDS面扫描分析结果，可见合金Z2(图5a)中Zn元素没有明显的偏聚，分布比较均匀，Sr元素分布与Si元素分布基本一致，说明Sr元素对共晶Si起到变质作用。加入Sr和La/Ce元素后(图5b)，面扫描结果和合金Z2一样，Si、Sr、Zn元素分布情况保持不变，红色圆圈区域La/Ce元素含量较高，选取A点进行分析(见图5c)，可以看出该处主要由Al、Si、Zn、La、Ce组成，即部分RE元素和Al、Si、Zn形成新相，由于含量小，XRD分析未检测出。

图4:XRD分析结果

(a)合金Z2元素分析面扫描结果,(b)合金Z4元素分析面扫描结果,(c)图(b)中A点成分分析
图5:合金Z2、Z4元素分析面扫描结果及成分分析

图6和图7是Z2合金的TEM图片及面扫描、线扫描结果。可以看出，Zn元素的分布和Al元素的分布基本一致，图7中线扫描结果进一步证明在共晶Si区域Zn含量很低，说明Zn元素主要固溶在α-Al中。进一步对α-Al进行EDS分析，结果见表3。Sr和La/Ce元素的加入没有改变Zn元素在α-Al中的固溶量，Z2、Z3、Z4合金的初生α-Al中Zn元素含量在1.5%左右，共晶区α-Al中含量达到2.5%左右，即共晶区内Zn在α-Al中固溶量更高，这也与凝固过程吻合。凝固开始时先形成初生α-Al，溶质含量低，使剩余金属液中溶质含量提高，后续共晶反应生成的α-Al中Zn的固溶量高于初生α-Al。 随后在共晶凝固时，由于Zn主要在Al相固液前沿富集，阻碍Al相的生长，使得Si相的生长速率相对得到提升，Si相获得更大的生长空间，从而使Si相变得粗大，见图7a。Sr作为Al-Si合金中常用的变质剂，主要是通过元素Sr吸附在铝硅合金的硅相组织表面影响共晶Si的生长，从而达到细化晶粒的效果，目前普遍接受的理论有杂质诱导孪生理论[26]和双平凹角机制。由图5a、图5b可知，Sr元素分布与Si分布一致，因此在Z3合金中，Sr元素含量的提升使得更多的Sr元素富集在共晶Si的两端，在共晶Si生长前沿形成了Al-Si-Sr薄层，对Si相的生长起到限制作用，使共晶Si得到一定程度的细化[28]，见图8。而在Z4合金中，元素分布情况见图5b和图6c，加入La/Ce后，Sr的分布还是和Si保持一致。合金中La/Ce的分布比较均匀，但在共晶Si附近含量相对更高，由此可以推断在Si的生长前沿形成了Al-Si-Sr-RE薄层，对Si相生长的阻碍进一步增强，提升了变质效果，Si相得到进一步的细化，见图8。

(a)合金Z2元素分析面扫描结果,(b)合金Z2元素分析线扫描结果,(c)合金Z4元素分析面扫描结果
图6:不同合金TEM分析结果

表3:不同合金α-Al中Zn元素的固溶量  wb/%

(a)合金Z2中共晶α-Al固液界面(b)合金Z3共晶Si固液界面(c)合金Z4共晶Si固液界面
图7:凝固过程共晶区域固液界面示意图

2.2 力学性能

图9是不同成分合金的应力应变曲线和平均力学性能。可以看出，Z1合金屈服强度为132 MPa、抗拉强度为296 MPa、伸长率为10.1%；加入2.5%的Zn之后，Z2合金屈服强度为148 MPa、抗拉强度为300 MPa、伸长率为8.6%；与合金Z1相比，合金Z2的屈服强度、抗拉强度分别提升12.1%、1.3%，而伸长率下降了14.9%。Z3合金的屈服强度为158 MPa、抗拉强度为314 MPa、伸长率为9.4%，和Z2合金相比，伸长率得到提升，但仍低于Z1合金。Z4合金的屈服强度为167 MPa、抗拉强度为324 MPa、伸长率为10.2%；与Z1合金相比，Z4合金的屈服强度、抗拉强度、伸长率分别提升26.5%、9.5%、1.0%，即在提升强度的同时保证伸长率不降低。

(a)不同成分合金的室温力学性能       (b)工程应力-应变曲线
图9:不同成分合金的应力应变曲线和室温力学性能

从微观组织看，Z1合金共晶组织中Si形态细小，分布均匀，因此表现出很好的伸长率。加入2.5%的Zn后，Zn主要固溶在α-Al中，对合金起到固溶强化作用，所以与Z1合金相比屈服强度得到提升；另一方面，Zn的加入使共晶Si尺寸增大，这些尺寸变大的共晶Si存在一些尖锐的折角，会发生应力集中，不利于伸长率。当提升Sr的含量，Z3合金中的共晶Si与Z2合金相比有一定程度的细化，第二相的细化一方面对强度有提升，同时细化的硅也能提升合金的伸长率。但也可以发现，硅的尺寸仍然较为粗大，且形状复杂，与Z1合金相比伸长率更低。在加入RE元素后，Z4合金中共晶Si的尺寸进一步得到细化，Z4合金的伸长率和Z1合金相比基本保持不变，因此Z4合金具有最好的综合性能，在保证固溶强化的同时，很好地改善了Zn元素对共晶Si的不利影响。

2.3 断口观察

图10为不同成分合金的拉伸断口形貌，在Z1、Z2、Z3、Z4合金的断口处均能观察到共晶Si、Al(Fe、Mn)Si相(红色箭头处)，另外存在一些裂纹(黄色箭头处)，由于三者伸长率都超过8%，相对于常见压铸铝合金，伸长率较高，因此也可观察到韧窝的存在。Z1、Z4合金断口形貌(图10a、图10d)中韧窝数量多，韧窝细小且深，断口上的裂纹尺寸小(长度＜10μm)；合金Z2断口(图10b)上韧窝数量少，韧窝浅，裂纹尺寸大(长度为10~20 μm)；合金Z3断口(图10c)上韧窝结合了Z2合金、Z4合金的特点，存在一些尺寸小的深韧窝，也有尺寸大的浅韧窝。

(a) Z1合金 (b) Z2合金 (c) Z3合金 (d) Z4合金
图10:不同合金成分断口形貌

为了观察试样断裂后裂纹的分布情况，断口附近部位纵向的扫描电镜显微组织见图11。Z1合金 (图11a)断口处可以明显看到除了沿α-Al晶界处断裂(红色箭头处)外，有部分α-Al发生变形断裂(黄色箭头处)。与共晶Si相比，α-Al属于较软的相，发生变形断裂说明合金的伸长率好。在断口附近部位，裂纹主要在晶界和块状Al(Fe、Mn)Si相处产生。Z2合金 (图11b)断口处主要是晶界处断裂，在断口附近区域裂纹尺寸较大而且数量明显多于Z1合金，还可以观察到一些针状的共晶Si发生了断裂(蓝色箭头处)，说明在这些尺寸较大的共晶Si处易产生应力集中，成为裂纹萌生点，因此裂纹除了分布在晶界和块状Al(Fe、Mn)Si相周围，在共晶区内也能看到一些裂纹分布，这不利于合金的塑性改善。合金Z3(图11c)相比于Z2合金，裂纹的尺寸减小，但仍大于Z1合金，在共晶区内也可以观察到一些裂纹。Z4合金 (图10d)与Z1合金的裂纹分布比较接近，裂纹尺寸很小，主要位于晶界和Al(Fe、Mn)Si相处。

(a) Z1合金 (b) Z2合金 (c) Z3合金 (d) Z4合金
图11:不同合金的断口纵向SEM照片

3、结论

(1)在Al-10Si-0.3Mg-0.6Mn合金中加入2.5%的Zn会使共晶Si尺寸增大，之后添加Sr和La/Ce混合稀土，共晶Si尺寸又重新细化。

(2)Zn的加入，可以提升合金的强度，但合金的伸长率下降；之后添加Sr和La/Ce之后，合金的强度和伸长率均得到提升，与合金Al-10Si-0.3Mg-0.6Mn相比，合金强度提升而伸长率不降低。

(3)在各合金断口上都可观察到韧窝，但加入Zn后，断口处韧窝数量减少，断口纵向观察可以看到一些断裂的针状共晶Si；当共晶Si重新得到细化后，韧窝数量增多。

作者：

韩盼文 袁灵洋 Ghulam Asghar
上海交通大学材料科学与工程学院轻合金精密成型国家工程研究中心

刘保良
上海轻合金精密成型国家工程研究中心有限公司

胡志恒
上海永茂泰汽车零部件有限公司

付彭怀 彭立明
上海交通大学材料科学与工程学院轻合金精密成型国家工程研究中心
上海轻合金精密成型国家工程研究中心有限公司

本文来自：《特种铸造及有色合金》杂志2021年第41卷第04期