微量Y对Al-Mg-Si系合金组织性能的影响

张建新， 高爱华

(1.河南理工大学材料科学与工程学院，河南焦作 454000;2.河南理工大学文法学院，河南焦作 454000;3.河南理工大学机械与动力工程学院，河南焦作 454000)

Al-Mg-Si系铝合金具有良好的热塑性、优良的耐蚀性及理想的机械性能，该系以6063、6061铝合金等为代表的工业型材用途十分广泛［1］。然而随着铝合金材料在高新技术领域的应用，对其微观组织和机械性能提出了更高的要求，例如，铝箔制品要求材料具有优良的塑性，高温铝合金要求组织具有较强的蠕变抗力，散热型材对材料表面耐蚀性能要求较为严格［2－4］，这就使得开发高性能的铝合金材料变得尤为重要。近几年来，不少厂家在合金熔体中加入Al-Ti-C中间合金、RE-La及RE-Ce等细化添加剂，并取得了预期效果。与其他处理剂相比，稀土Y元素活泼性强、在铝中的溶解度大，逐渐被材料学者所关注。为了最大限度的改善铝合金材料的组织性能，寻求更为理想的熔体处理方法，文章以Y元素为研究对象，分别探讨了它对Al-Mg-Si系合金晶粒细化、导电性能及高温蠕变抗力的影响，并针对性的分析了稀土Y元素的作用机理。

1 实验材料与方法

在电炉中用石墨坩埚熔炼相应的铝合金材料(成分见表 1)，首先将石墨坩埚预热到 200～300℃，然后把纯铝锭、Al-Si中间合金放入坩埚，等炉料完全熔解后进行造渣处理，加入覆盖剂后将纯镁块压入熔液中，搅拌均匀将熔体温度升高到760℃，然后加入Al-Y中间合金，精炼后保温，用铁模浇铸成直径为85mm的铸锭。在油压机上将铸锭挤压成40mm×10mm矩形铝排，淬火后进行时效处理。用扫描电子显微镜观察材料的铸态组织，用7501涡流导电仪测量材料电导率的比较值，用PHB-3000型液压式布氏硬度计与万能材料实验机测量材料在不同温度下的布氏硬度及抗拉强度。

表1 铝合金材料的化学成分(质量分数/%)Table 1 The chemical ingredient of aluminum alloy material(mass fraction/%)

2 实验结果与分析

2.1 Y对铸态组织的细化作用

材料铸态组织的优劣十分重要，不仅是改善材料塑性的基础，而且是提高性能的重要条件［5］。研究表明，稀土Y对Al-Mg-Si系铝合金铸态组织具有强烈的细化作用，但随加入量不同其细化效果存在一定差异。通过实验，得出如下结论:稀土Y元素加入量在0.1%(质量分数，下同)以下时，其细化作用不明显;当其加入量增加到约0.30%时，细化效果较为显著(晶粒直径约在50μm);当Y加入量超过0.45%后，它对组织的细化作用反而出现负面影响，晶界处出现 了元素偏聚现象。铸态组织的扫描照片见图1。

图1 不同加入量的稀土Y对铸态组织的影响Fig.1 The effect of different Y content on cast structure (a)0.1%Y;(b)0.3%Y;(c)0.45%Y

关于微量Y对铝合金的晶粒细化作用机理，一般认为与熔体中析出的高熔点氧化物Y2O3及Y元素的活泼性有关［6］。稀土Y与氧元素的结合能力极强，能夺取熔体中氧化物(主要是Al2O3)的氧，通过计算物质的焓变可知，Y2O3比Al2O3更加稳定，生成的Y2O3晶格常数与 Al元素接近，其熔点高达2410℃，可作为铝的结晶核心，这不仅有利于细化合金的铸态组织，而且间接的消除了其他氧化物夹杂的影响。其次，Y元素性质活泼，其电负性比Al小，熔于铝基体后容易填补合金相的表面缺陷(形成置换式固溶体)，这对熔体的形核速度有利，从而增加了熔体单位体积内的晶粒数目，使其铸态组织得到细化。当向熔体中加入过量Y元素时，铸态组织的晶界处开始出现元素偏聚或偏析，通过物相分析知道，合金中的过剩硅元素与过量Y交互作用的结果，二者在铝熔体中容易生成中间产物YAlSi，而且这种三元化合物多在晶界处形成偏析，所以铸态组织的细化效果及均匀性不理想。另外，实验中发现合理调整Si的含量，对微量Y的细化效果发挥至关重要，一般Si元素的过剩量以不超过0.05%为宜［7］。

2.2 Y对材料导电性能的影响

Al-Mg-Si系合金在汽车导体及散热方面应用较为广泛，为了合理改善材料的导电性能，着重研究了Y的加入量对铝合金电导率的影响。实验中发现，当Y元素的加入量小于0.15%时，它对合金导电性能的影响不明显，其作用是局部的，合金的整体导电能力变化幅度不大;当Y的含量达到0.25%以上时，合金的导电性能明显上升，继续增加稀土Y的含量，当加入量达到0.30%时合金电导率最佳;当熔体中Y的含量超过0.40%以后，合金的导电性能出现明显下降。表2列举了Y含量对合金电导率的影响数据，其中XY，Cf与Ck分别表示Y的加入量、导电系数和电导率。

表2 稀土Y对合金导电性能的影响Table 2 The effect of RE Y on conductive property of the alloy

分析表中数据易知，Y元素的加入量在0.30%左右时(此时硅元素过剩0.03%)，材料具有较好的导电性能，这一数据与铸态组织的最佳含量相吻合，可见铸态组织越均匀的材料，其导电性能也十分优越。稀土Y的作用机理可从以下两方面解释:一是适量Y加入到铝合金熔体后，起到强烈的变质作用，其中的氢(金属熔体中80%以上的气体夹杂为氢)、氮等非金属元素与稀土Y的结合力较强，生成了相应的氢化物、氮化物，这些化合物部分在造渣处理中排除，部分作为异质晶核，这就有效地抑制了组织中出现气泡，大大降低了针孔率，所以从材料致密性的角度分析，其电导率得到提高［8］;二是加入的Y元素与其他合金元素化合时，含Y相伴生着较多的铁元素(铁在Al-Mg-Si系合金中是杂质元素)，这就有效抑制了粗大β相的出现(β相表示式为Al9Fe2Si2，是铝合金中的有害相)，组织的均匀性得到改善，所以从材料均匀性的角度分析，实验材料的导电性能较为优越。最后需要指出的是:过量的加入稀土Y只会增加组织的割裂性，因为过剩稀土元素多在晶界处形成偏聚，对材料的导电性能起负面效应(见图2)。

图2 稀土Y对电导率的影响Fig.2 The effect of RE-Y on electric conductivity

2.3 Y对硬度和抗拉强度的影响

许多铝合金材料在高温下容易出现蠕变现象，这一缺点很大程度上限制了铝合金的应用［9］。如该合金系6063合金在150℃时抗拉强度仅为140MPa(T6状态)，与室温下的抗拉强度相比下降了40%左右。为了改善Al-Mg-Si系铝合金的耐高温性能，开拓铝合金材料的广阔前景，实验在加入不同Y的前提下，测试了试样的强硬度指标。具体步骤为:分别把各试样进行拉伸实验及硬度测试，然后对比分析实验数据，进行计算机模拟绘图，数据见图3。综合分析试样的机械性能，发现添加0.30%的Y时其强硬度较高，而且材料保持着较好的塑性，试样的断口处出现了明显的韧窝(见图4)。

图3 稀土Y与抗拉强度、延伸率的关系Fig.3 Variation of tensile strength and elongation with RE-Y

经过稀土Y元素处理后的材料，具有良好的热稳定性，工作环境可在原来基础上提高50～100℃。对于时效强化型Al-Mg-Si系合金，要解决其高温下的蠕变问题，必须弄清楚材料的热稳定性、高温蠕变及高温拉伸强度之间的关系。一般情况下，铝合金材料随着使用温度的升高，其强度下降，热稳定性减弱，发生高温蠕变的概率增加。对于Y元素作用下的铝合金，可以从以下三个方面分析作用机理:一是Y元素能和铝基体元素生成富铝稀土相，该相熔点较高，能有效阻止高温下的晶界滑移，这对增加材料的热稳定性有积极作用［10］;二是Y元素与组织中的合金元素铜、锌生成复杂的金属间化合物Cu4YAl8，ZnY12Al3，这些高熔点化合物呈弥散状分布，对位错运动有钉扎功能，对提高材料的高温强度有明显作用;三是稀土Y元素的加入能有效降低镁、硅原子的扩散速度，从而延缓了强化相Mg2Si的粗化，这对改善材料的高温蠕变十分有利［11］。所以实验材料的耐热性能得到一定程度的提高。

图4 拉伸试样的断口形貌(SEM)Fig.4 Fracture appearance of tensile samples

3 结论

(1)加入0.30%左右的Y对Al-Mg-Si系铝合金的铸态组织具有强烈细化作用，铸态晶粒尺寸保持在50μm左右。

(2)含Y元素0.30%的Al-Mg-Si系铝合金具有较强的导电能力，其电导率相对于普通成分的合金提高大约5%。

(3)适量稀土Y元素的加入能合理增进Al-Mg-Si系合金材料的热稳定性，高温下的强硬度比原来得到明显改善。

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