铸造A356.2（Sc，La）铝合金研究

闫 洪 张 辉 杨祖贵

（昆明冶金研究院有限公司，中铝集团中央研究院昆明分院，昆明 650031）

0 引言

在铝合金中加入稀土元素，不仅具有变质处理的作用，而且还能提高力学性能［1-2］。为了改善铝合金的使用性能，扩大其应用范围，通过稀土合金化技术对铝合金进行处理，取得了较好的效果。由于单独添加稀土La 对铝合金的力学性能提高不大，而且Sc 的成本较高，因此，通过两种稀土元素Sc 和La 的添加，不仅减少了Sc 的加入量，降低成本，而且显著细化了共晶硅，使合金的力学性能得到较大提高。目前国内对稀土铝合金的研究主要集中在添加单一稀土方面［3～8］，而对添加两种稀土元素的铸造A356.2（Sc、La）铝合金未见相关报道。本文通过加入两种稀土元素Sc 和La，形成了铸造A356.2（Sc、La）铝合金，并对其组织和力学性能进行分析，为优化工艺提供理论和试验依据。

1 实验

实验用材料为A356.2铝合金，稀土元素Sc和La分别以Al-2.01%Sc 及Al-9.62%La 中间合金的形式加入。将A356.2 铝合金放入石墨坩埚电阻炉中，温度升到740℃，待A356.2 铝合金完全熔化后，扒渣，放入Si 并搅拌熔体，然后升温到790℃，加入Al-9.62%La 中间合金，搅拌熔体1 min，保温15 min，降温到740℃，加入Al-1.98%Sc 中间合金进行熔化，搅拌熔体，使合金成分均匀，降温到725℃，通入高纯氮气进行精炼，扒渣，静置后，浇入已经预热到310℃的铸铁模具中，取出试样，水淬，制备成A356.2（Sc、La）铝合金，其化学成分见表1。试验中，稀土Sc含量0.38wt%，稀土La含量0.14wt%，并进行了对比试验。金相组织分析在AxioimagerA2m型研究级智能数字材料显微镜上进行，合金的抗拉强度和伸长率用CMT5105型电子万能试验机测定，采用Quanta 600 型扫描电镜和Genesis 型能谱仪进行显微观察和能谱分析，用EMPYREAN型X射线衍射仪对合金物相进行分析。

表1 铸造A356.2（Sc、La）铝合金的化学成分Tab.1 Chemical composition of cast A356.2（Sc，La）aluminum alloy wt%

2 结果及分析

2.1 铸造A356.2（Sc、La）铝合金的相组成

由铝合金XRD 分析测试结果（图1）可知，，Al3Sc相衍射峰很微弱，析出的Al3Sc 相比较细小，说明稀土La的添加阻止了Al3Sc相的形成和析出。

图1 铸造A356.2（Sc、La）铝合金的XRD图谱Fig.1 XRD pattern of A356.2（Sc，La）aluminum alloy

2.2 稀土Sc和La对合金铸态显微组织的影响

由图2（a）可见，在未添加稀土元素时，铸造A356.2 铝合金中大部分共晶硅的形状是针片状，少数为块状，共晶硅的平均尺寸为13.6 μm，较为粗大。在合金中添加单一稀土0.14%La 后，铸造A356.2（La）铝合金的共晶硅形貌得到改善，大部分共晶硅是块状，少数为条状，共晶硅得到细化，平均尺寸减小到6.3 μm［图2（b）］。图2（c）所示为添加两种稀土元素0.38%Sc+0.14%La 的铸造A356.2（Sc、La）铝合金的显微组织，此时共晶硅完全转变为均匀细小的颗粒状组织，平均尺寸仅为2.3 μm。这说明，在合金中单独添加稀土元素La 有一定的共晶硅晶粒细化效果，但细化作用有限，而添加两种稀土元素Sc和La对共晶硅的细化作用更强烈。

图2 铸造铝合金的显微组织1 000×Fig.2 Microstructure of cast aluminum alloy

2.3 稀土元素Sc、La 与合金力学性能及共晶硅的关系

稀土元素Sc 和La 对铸造A356.2 铝合金力学性能及共晶硅的影响见表2，可知，未添加稀土元素的铸造A356.2 铝合金的共晶硅平均尺寸13.6 μm，力学性能较差；添加0.14%La 后，形成的铸造A356.2（La）合金的共晶硅平均尺寸降到6.3 μm，其抗拉强度和伸长率有所提高；而铸造A356.2（Sc、La）合金的共晶硅细化到2.3 μm，抗拉强度和伸长率分别提高到181.62 MPa 和4.0%，较添加铸造A356.2（La）合金，细化效果更好，力学性能更高，所以稀土元素Sc和La 对铸造铝合金的强化属于对共晶硅的细晶强化。Sc 和La 对共晶硅的细化作用机制是：（1）Al 与Sc 的结合形成了Al3Sc 相，Al3Sc 相和基体α-Al 相的晶格类型和参数相近，可作为异质形核核心细化α-Al相的晶粒，Al3Sc相在合金凝固时的异质晶核作用，增加了合金熔体中的形核数，从而细化α-Al 相晶粒尺寸［9］，Sc 对α-Al 相的细化伴随着对共晶硅相的细化，α-Al 相细化和数量的增多造成各个方向阻力的增大，致使共晶硅难于长大，从而使共晶硅成为细小的颗粒状；（2）稀土La 相与Si 有较强的亲和力，它吸附在Si相生长界面的前沿，阻止Si相的成长。

表2 铝合金的共晶硅尺寸和力学性能Tab.2 Eutectic silicon dimensions and mechanical properties of aluminum alloys

2.4 合金中稀土元素Sc和La的分布

由图3中铸造A356.2（Sc、La）铝合金的SEM 微观组织可见，合金中分布着一些亮白色的第二相，为不规则的形状，通过图3（b）能谱分析可知，该亮白色第二相的化学成分为：68.88Al-24.52Si-0.32Sc-4.201La-2.08Mg，说明第二相与稀土Sc和La有关。

图3 铸造A356.2（Sc、La）铝合金的SEM图像和能谱分析Fig.3 SEM microstructure and energy spectrum analysis results of cast A356.2（Sc，La）

为了解稀土Sc 和La 在铝合金中的分布，对铸造A356.2（Sc、La）铝合金的凝固组织进行了Sc 和La 元素的面扫描分析，结果见图4，可以看出，合金显微组织中出现了不同形状的Sc 相和La 相，分散分布，较为细小，其中，Sc 相、La 相的平均尺寸为3.5、4.5 μm。稀土元素Sc 的形状差异较大，除部分固溶于α-Al相以外，还有一部分以第二相粒子Al3Sc相的形式存在，分散分布于基体中，在铝合金中起到弥散强化的作用［10］。总之，稀土Sc 和La 对铝合金的强化是弥散强化和细晶强化共同作用的结果。

图4 铸造A356.2（Sc、La）铝合金中稀土元素的面分布图像Fig.4 Areal distribution of rare earth elements in A356.2（Sc，La）aluminum alloy

3 结论

（1）添加两种稀土元素Sc 和La 的铸造A356.2（Sc、La）铝合金较单独添加一种稀土元素La 的A356.2（La）铝合金有更好的共晶硅细化效果，能使共晶硅由原来平均尺寸为1 3.6 μm的粗大针片状向平均尺寸只有2.3 μm的细小颗粒状转变，共晶硅形貌得到明显改善。而单独添加一种稀土元素La只能将共晶硅细化到6.3 μm。

（2）含有两种稀土元素Sc 和La 的A356.2（Sc，La）铝合金的抗拉强度和伸长率明显高于含有一种稀土元素La 的A356.2（La）铝合金，铝合金的抗拉强度由136.22 MPa 提高到181.62 MPa，伸长率由1.8%增加到4.0%，从而大大提升了铝合金的力学性能。而含有一种稀土元素La 的A356.2（La）铝合金的抗拉强度和伸长率分别为148.84 MPa和2.3%，增加幅度较小。

（3）稀土Sc 和La 在铸造A356.2（Sc、La）铝合金中形成了Al3Sc 相、AlSc 相、Sc 相、La 相等，分散分布于基体中，起到了弥散强化的作用，同时这些相阻止了共晶硅的长大，使共晶硅细化，形成细晶强化，在弥散强化和细晶强化的双重作用下，合金的力学性能显著提高。