Sr变质对Al-13.0Si-4.5Cu-1.0Mg-2.0Ni合金组织和性能的影响

李 灿，雷 远

合肥工业大学材料科学与工程学院，安徽 合肥 230009

铸造铝合金在现代生产和生活中应用普遍，其产量占到全世界铝制品需求总量的40%左右[1].其中Al-Si系合金因铸造性能良好、热稳定性高、耐磨性强及热膨胀系数低等优点，普遍用于制造活塞零件[2-3].典型的共晶Al-Si合金有Al-12Si-2Cu-1Mg(ZL108)和Al-12Si-2Cu-1Mg-1Ni(ZL109)[4].随着发动机不断发展，对共晶Al-Si活塞合金性能的要求也越来越高.为改善Al-Si合金中初晶Si和共晶Si的大小及形貌，获得较好的力学性能，长期以来人们一直釆用变质处理技术[5-6].通过添加Ce元素对Al-17%Si进行变质处理，发现加入质量分数1.0% Ce能够同时细化初晶Si和变质共晶Si，使合金的室温抗拉强度显著提高[7].通过研究Sr变质对Al-6Si-3Cu-0.3Mg合金共晶Si形貌的影响，发现当Sr质量分数为0.04%时，可有效细化共晶Si组织，热处理后使共晶Si颗粒球化充分，且分布均匀、弥散；当Sr质量分数增至0.06%时，会明显增加共晶组织周围的多边形含Sr化合相，导致合金的室温性能降低[8].在ZL114A合金中添加Sr元素后发现，随着Sr含量增加，共晶Si颗粒变得细小，合金室温性能逐渐提高；当Sr添加质量分数为0.03%时，合金变质充分且性能最佳，其T6热处理态室温抗拉强度可达316.5 MPa[9].Sr作为变质剂虽然有诸多优点，但是作为一种较活泼的变质元素，其含量的增加会增加合金的吸气量，同时过量的Sr会形成含Sr化合物，分布在共晶组织内，降低合金的性能[7,10].因此，合理的Sr添加量对提高Al-Si-Cu-Mg-Ni合金的室温拉伸性能非常重要[11].

本文通过研究Sr添加量对二元共晶Al-Si合金组织的影响，获得最佳变质Sr量.然后对Al-13.0Si-4.5Cu-1.0Mg-2.0Ni合金进行变质处理，再经T6热处理后，测试其室温和高温(300℃)下的力学性能，以期在保证合金高温使用性能的同时，室温性能得到提高，为实际生产提供参考.

1 试验部分

1.1 试验材料及方法

试验原料为工业纯铝、纯Mg、Al-20%Si中间合金、Al-50%Cu中间合金和Al-10%Ni中间合金.本试验先以二元共晶Al-20%Si合金为研究对象，获得最佳变质处理工艺，其中变质剂为Al-10%Sr中间合金，精炼剂为C2Cl6.在质量分数0～0.08%范围添加Sr，对Al-13.0Si-4.5Cu-1.0Mg-2.0Ni合金进行变质研究.试验中用石墨坩埚电阻炉熔炼合金，在铁模中浇铸成锭.铸锭冷却后进行510℃×6h固溶(水淬)+185℃×6h时效(T6)热处理.Al-13.0Si-4.5Cu-1.0Mg-2.0Ni合金成分列于表1.

表1 试验合金成分

1.2 性能测试

对二元共晶Al-Si合金铸态试样及T6态Al-13.0Si-4.5Cu-1.0Mg-2.0Ni合金试样进行粗磨，细磨，待试样表面无明显划痕时进行抛光；抛光后用蒸馏水冲洗，再用氢氟酸腐蚀剂对样品进行腐蚀，然后采用卧式金相显微镜对腐蚀后试样进行显微组织观察.采用钨灯丝扫描电镜对Al-13.0Si-4.5Cu-1.0Mg-2.0Ni铸态合金Si形貌进行观察分析，采用附带加热炉微机电子万能材料试验机对T6态合金试样进行室温及高温拉伸性能测试，按照GBT228-2002标准设计拉伸试样.不同Sr添加量的合金均浇注3根试样，最终结果取3个试样测试的平均值.

2 试验结果及分析

2.1 Sr变质对二元共晶Al-Si合金组织的影响

添加不同Sr量的二元共晶Al-Si合金的组织如图1所示.从图1可看出，Sr元素对合金组织变质作用显著.图1(a)为未加Sr变质的共晶Al-Si合金组织，α-Al相和Si相呈典型共生生长状态.Sr质量分数为0.02%时，合金组织无明显变化[图1(b)].当Sr质量分数增加到0.04 %[图1(c)]时，组织中出现大量细小蠕虫状共晶Si，虽仍有一定数量长针状共晶Si，但其长度明显变短.继续增加Sr质量分数至0.06%[图1(d)]时，蠕虫状共晶Si变得更加细小，且仅有极少量针状共晶Si存在，同时出现少量α-Al晶粒.当添加Sr质量分数达到0.08%[图2(e)]时，共晶Si仍然以细小的蠕虫状形式存在，但是α-Al晶粒明显长大,组织中出现了孔洞.共晶Si的形貌、大小和分布显著影响合金力学性能，粗大的α-Al晶粒和孔洞会恶化合金室温力学性能[12].综上所述，添加Sr质量分数为0.06%时，二元共晶Al-Si合金可获得最佳变质效果.

图1 添加不同Sr量的共晶Al-Si合金组织(a)不加Sr；(b)w(Sr)=0.02%；(c)w(Sr)=0.04% ；(d)w(Sr)=0.06% ；(e)w(Sr)=0.08%Fig.1 Microstructures of eutectic Al-Si alloys with adding different Sr content(a)Without Sr；(b)w(Sr)=0.02%；(c)w(Sr)=0.04% ；(d)w(Sr)=0.06% ；(e)w(Sr)=0.08%

2.2 Sr变质对Al-13.0Si-4.5Cu-1.0Mg-2.0Ni合金组织和性能的影响

当添加Sr质量分数为0.04%和0.06%时，对应的Al-13.0Si-4.5Cu-1.0Mg-2.0Ni合金的力学性能列于表2.由表2可知，当合金中添加的Sr质量分数由0.04%增加到0.06%时，合金的室温抗拉强度由290 MPa提高到305 MPa，提高了15 MPa，而高温抗拉强度略微降低，由132 MPa下降到128 MPa，降了4 MPa.

表2Sr添加量为0.04%和0.06%合金力学性能

Table2Mechanicalpropertiesofalloyswithadding0.04%Srand0.06%Sr

Sr质量分数/%热处理态室温抗拉强度/MPa高温抗拉强度/MPa0.04T62901320.06T6305128

图2为添加质量分数为0.04%和0.06% Sr时铸态合金Si形貌的扫描照片.由图2(a)和图2(b)可看出，经0.06%Sr变质后，共晶Si明显更加细小，且分枝更多，共晶Si球化程度提高.经T6热处理后，共晶Si进一步球化，分布更加均匀、弥散，如图3所示.因此，合金的室温抗拉强度进一步提高.合金的高温(300℃)抗拉强度降低，是因为共晶Si球化程度提高，其尺寸和表面比进一步下降.

图3 Sr添加质量分数为0.04%和0.06%时T6态合金组织Fig.3 Microstructures of alloys adding 0.04% Sr and 0.06% Sr after T6 treatment (a)w(Sr)=0.04%；(b)w(Sr)=0.06%

3 结 论

(1)随着Sr添加量的增加，二元共晶Al-Si合金组织Si相细化程度越来越高，其形貌由长针状逐步变成细小蠕虫状；当Sr含量过高时，合金组织中出现粗大α-Al晶粒和孔洞.Sr添加质量分数为0.06 %时，二元共晶Al-Si合金的变质效果最佳.

(2)添加质量分数0.06 %Sr的Al-13.0Si-4.5Cu-1.0Mg-2.0Ni合金经T6热处理后，合金的室温抗拉强度由添加质量分数0.04 %Sr的290 MPa提高到添加0.06% Sr的305 MPa，主要是因为共晶Si球化程度更高，且分布更加均匀弥散.合金高温抗拉强度(300℃)由132 MPa下降到128 MPa，是由共晶Si尺寸和表面比进一步下降所致.在Al-13.0Si-4.5Cu-1.0Mg-2.0Ni合金中添加质量分数0.06 %Sr，既可以保证合金的高温使用性能，同时室温性能得到提高.