原标题：Er和Zn对新型高强韧压铸Al-9Si-0.6Fe-0.2-Mn-0.2Mg合金组织和性能影响

Al-Si合金具有良好的流动性，较小的收缩率和热裂倾向等，得到广泛应用。压力铸造具有生产率高、铸件精度高、尺寸稳定等特点。基于优质高效低成本制造，对铸态Al-Si系压铸合金的高强韧性能具有实际需求。生产工业消防管接头中的转动环铸件时需要综合力学性能较好的压铸Al-Si合金，如抗拉强度大于240MPa，伸长率大于4%。但是，目前相关合金伸长率难以满足要求。因此，研发新型的铸态高强韧压铸Al-Si合金具有积极意义。

通过微合金化实施细化和变质处理改性材料是提高压铸Al合金铸态综合力学性能的有效途径。稀土元素通过异质形核可以起到细化晶粒的效果，且高亲和力的稀土元素可以在基体中与有害金属或杂质形成金属化合物，有效清除基体中的缺陷，从而改善合金的综合性能。稀土元素Er对铝合金的性能有一定的影响。研究表明，Al-Mg合金的抗拉强度和伸长率均随Er含量增加呈现先升后降的趋势，硬度则持续上升；Er也会使AA6061合金结构中的稀土化合物和杂质相的数量显著增加，大大提高第二相的强化效果。此外，强化元素Zn能以固溶体的形式均匀地分布在基体中固溶强化合金。也有研究指出，当Zn含量为1%时，合金组织中的共晶Si相会转变为细小纤维状或颗粒状，有效提高压铸Al-Si合金的性能，而对于添加Er及复合添加Er、Zn对Al-Si合金力学性能影响的研究则报道很少。

本课题组前期基于Al-Si合金常用元素、合金的流动性及普通压铸防止粘模等因素正交试验组合得到一组基本合金成分Al-9Si-0.6Fe-0.2Mn-0.2Mg，但其综合力学性能尚需进一步提高。基于此，本研究通过单一添加不同含量Er元素和复合添加Er、Zn元素制备了Al-9Si-0.6Fe-0.2Mn-0.2Mg-X（X=0.2Er,0.4Er,0.6Er,0.4Er+1.5Zn）4种亚共晶Al-Si合金的普通压铸拉伸试棒（编号为Z1~Z4），研究其铸态显微组织和力学性能，旨在为铸态高强韧压铸Al-Si合金的应用提供参考。

图文结果

原材料分别为工业纯铝（99.9%，质量分数，下同）、纯镁（99.9%）、纯锌（99.9%）、Al-20Si、Al-10Fe、Al-10Mn、Al-20Er、Al-5Ti和Al-10Sr中间合金。将称量好的纯铝、Al-20Si、Al-10Fe和Al-10Mn原材料置于SG-30-10系列井式坩埚电阻炉内的石墨坩埚中，加热至750℃保温一段时间直至加入的原材料全部熔化，再放入Mg或者Zn。为了防止Mg烧损，用铝箔完全包裹Mg加入，待其熔化后，再依次加入Al-5Ti、Al-10Sr中间合金进行细化、变质处理，其中Sr、Ti的加入量分别为0.03%和0.05%；然后加入一定量的精炼剂除气，静置扒渣；采用DC280T卧式冷室压铸机进行拉伸试棒制备，模具预热温度为280℃，试棒尺寸见图1。采用WAW-10000万能材料试验机对试棒进行拉伸测试，拉伸速率为1.0mm/min，每种合金均取3根试棒测试，结果取平均值。在拉伸试样端部取样，对其进行研磨抛光，采用体积分数为0.5%的HF溶液腐蚀10 s后，使用Olympus-BHM363U金相显微镜对试样的显微组织进行观察，采用DigiVicher-1000A型维氏硬度计测其硬度，载荷为50N，保持15s，在区域内随机选择10个不同位置进行测量，取平均值。结合D/MAX-RB型X-ray衍射仪、JXA-8230型电子探针等对试样的物相进行检测分析。

图1 拉伸试样尺寸

图2 Z1~Z4压铸态合金的金相组织

图3 Z2、Z4合金试样XRD图

图4和图5分别为Z2压铸态合金组织EPMA形貌图、主要元素面扫描及相应点的EDS能谱分析结果。可以看出，A点狭小细长状相主要由Al、Si、Fe以及少量Mn元素构成，初步判断其为β-Al5FeSi。此外，部分Mn元素会进入到富Fe相中，促进β-Al5FeSi相向团块状α-AlSiMnFe相转变。B点处的骨架状相主要含Al、Si、Mn、Fe和Er元素，除去Mg元素的影响，初步判断其为α-AlSiMnFe相。检测出较高含量的Er元素，这是由于Er-Si原子间的亲和力大于Fe-Si原子间的，因此，Al-Er-Si金属间化合物比Al-Fe-Si更稳定。在Al-9Si-0.6Fe-0.2Mn-0.2Mg合金中加入Er元素，部分Er将取代α-AlSiMnFe相中的Fe变成熔点更高、更稳定的α-AlSiMnFeEr相，从而改变了富Fe相组成和晶界稳定性。

图4 压铸态Z2合金的EPMA形貌和EDS分析结果

图5 主要元素面扫描

图6 Z4合金的EPMA照片和EDS分析结果

从图7可以看出，随着稀土Er含量的增加，合金的硬度呈现先增加后降低的趋势。当合金中添加0.2%的Er时，其硬度（HV）为74.7。添加0.4%的Er时，晶粒细化最明显，第二相分布最均匀，合金的硬度（HV）达到了84.6，相比Z1合金提高了13.25%。当Er含量继续增加至0.6%时，硬度（HV）有所降低，为79.2。这是因为加入Er元素会使得强化相Al3Er过量析出，促进合金硬度的提高。另一方面，随着Er含量增加，细化的晶粒出现了部分长大的趋势，含有Er的较大的第二相也将析出，削弱了晶粒细化效应，从而降低了合金的硬度。

图7 不同Er添加量合金的力学性能

图8 Z2和Z4合金的力学性能

结论

相比于Z2合金，复合添加Er、Zn的Z4合金的抗拉强度（σb）、屈服强度（σ0.2）、伸长率（δ）分别提高了22.96%、12.3%和50%。从微观上看，Z4合金中加入1.5%的Zn对组织中相的细化起到了较为明显的促进作用，且生成了较多分布均匀的二次强化相，降低了对基体的割裂作用，使得合金的力学性能得到明显提高。由于Zn的固溶强化及析出强化效应，Z4合金的硬度较Z2合金提高了8.62%。此外，还可能是由于硬相的共晶Si分数的增加，导致了较高的硬度值。综上所述，复合添加Er、Zn的Z4合金表现出了更好的综合力学性能，可以满足转动环等铸件的力学性能要求。

Al-9Si-0.6Fe-0.2Mn-0.2Mg-X（X=0.2Er、0.4Er、0.6Er，0.4Er+1.5Zn，%）合金中主要物相包括α-Al、共晶Si、Al3Er、Mg2Si及富Fe相（α-AlSiMnFe和β-Al5FeSi）。复合添加0.4%的Er+1.5%的Zn合金中，除以上物相以外，合金中还会产生α-AlMgZn相。

本文作者：

范晓明 马琳霞 吕晓刚
武汉理工大学材料科学与工程学院
卢晓斌 黄刚福
高安市璐克斯机械有限公司

本文来源：《特种铸造及有色合金》杂志