半固态专用铝合金AlSi6Mg2微合金化研究

徐骏 杨必成 张志峰 石力开 韩静涛

北京有色金属研究总院国家有色金属复合材料工程技术研究中心,北京有色金属研究总院国家有色金属复合材料工程技术研究中心,北京有色金属研究总院国家有色金属复合材料工程技术研究中心,北京有色金属研究总院国家有色金属复合材料工程技术研究中心,北京有色金属研究总院国家有色金属复合材料工程技术研究中心,北京科技大学材料科学与工程学院 北京100088 北京科技大学材料科学与工程学院,北京100083 ,北京100088 ,北京100088 ,北京100088 ,北京100088 ,北京100083

摘 要：

半固态加工是一种新的近终成形技术, 但由于缺乏适合发挥其优势的专用合金, 使这项技术在工业中的推广应用受到了限制, 针对这一现状开发新型铝合金AlSi6Mg2。利用电磁搅拌装置制备半固态浆料, 探讨了微量合金化元素Ti, Sr对AlSi6Mg2半固态合金微观组织和力学性能的影响。结果显示, 合金中Ti含量为0.08%左右时, 能够细化初生相α (Al) 基体;合金中Sr含量为0.02%⁰.04%时, 不仅能够改善共晶硅形貌, 使其由板条状转化为点状或短簇状, 而且对Mg2Si也有一定的变质作用, 使合金的性能明显改善, 特别是塑性提高了1倍以上。

关键词：

半固态加工;铝合金;电磁搅拌;晶粒细化;Sr变质;

中图分类号： TG249.9

收稿日期：2005-07-10

基金：国家高技术研究发展计划 (863计划) 资助项目 (2002AA336080);

Micro-Alloying of AlSi6Mg2 Alloy Specially for Semi-Solid Metal Processing

Abstract：

Semi-solid processing (SSP) , as a new near-net-shape technology, has not been widely applied in industry up to now, owing to lack of a cost-effective alloy which is suitable for semi-solid forming.AlSi6Mg2 is a new alloy designed for semi-solid processing.The effect of Ti and Sr contents on the microstructures and mechanical properties of AlSi6Mg2 alloy during semi-solid processing was experimentally studied by electromagnetic stirring equipment.The results show that the optimal Ti addition is about 0.08% when the primary α-Al phase is refined and the optimal Sr addition is 0.02%～0.04% (mass fraction) when modified.About 0.02%～0.04% strontium not only varies the morphology of eutectic silicon from long strip into dot or short bar but also modifies primary Mg₂Si phase.Therefore, the addition of Ti and Sr changes the microstructures and improves evidently properties of the alloy, especially the elongation up by one time.

Keyword：

semi-solid processing;aluminium alloy;electromagnetic stirring;grain refinement;Sr modification;

Received： 2005-07-10

半固态加工技术是一种颇具前途的近终成形技术之一, 其特点是通过改变加工方式来充分挖掘材料性能的潜力, 实现零部件的近终成形, 并降低零部件制造的综合成本 ^[1] 。 目前, 国内关于半固态加工技术的研究主要集中在对其工艺技术本身的研究上, 采用的材料多为传统铸造铝合金, 如A356, A357。 由于传统铸造铝合金的局限性, 使其并不能充分发挥半固态加工技术的优势, 因而限制了半固态加工技术在工业上特别是汽车零部件制造业上的推广和应用。 目前, 国外虽有关于半固态新合金的研究报道, 但国内尚没有专门针对半固态加工的新合金研究, 针对这一情况, 研制开发出能充分适用半固态加工技术特点的专用铝合金具有很大的现实意义 ^[2] 。

半固态专用铝合金AlSi6Mg2是一种利用热力学方法并结合半固态加工的基本原理初步设计出的Al-Si-Mg系半固态新合金, 其能够充分与半固态成形技术相结合, 表现出较好的组织性能和半固态加工性能, 也有很强的时效潜力 ^[3] 。 但是, 通过对此合金的实验研究发现, 综合性能较好的AlSi6Mg2合金, 塑性较低, 有待进一步提高。 这主要是因为, 在上述合金研究中, 没有考虑微量元素的添加对合金组织和性能的影响。 实际上, 在铝合金研究中, 微量元素对合金组织和性能的影响十分重要。 因此, 还需要在微合金化方面做细致的研究, 以提高合金的综合力学性能, 实现此合金的工业化应用。 实验合金AlSi6Mg2的微合金化主要是参照了A356, A357, 6061合金中的微量元素并考虑实验合金具体情况进行的。 实验中主要选择了Ti, Sr作为添加微合金元素。 组织细化是改善与提高合金强韧性的重要措施之一, 有效地减小晶粒尺寸, 改善合金中初生相α (Al) 基体和共晶Si和Mg₂Si的形态对其力学性能影响很大。 Ti能够细化初生相晶粒, Sr能够改善共晶硅的形貌 ^[4] 。 本文通过电磁搅拌方法制备AlSi6Mg2半固态浆料, 着重考虑添加微量元素Ti和Sr来初步探讨微合金化对实验合金AlSi6Mg2组织和性能的影响。

1 实 验

实验材料为自配的AlSi6Mg2和Al-5Ti-1B, Al-11.5Sr中间合金。

采用感应炉中石墨坩埚熔炼, 温度达到740 ℃时, 分别加入预先用电子秤秤量好的Al-5Ti-1B进行晶粒细化处理及Al-11.5Sr中间合金进行变质处理。 合金中Ti, Sr含量是根据电感耦合等离子直读光谱计测定的平均收得率计算得到, Ti含量分别为0%, 0.04%, 0.08%, 0.12%; Sr含量分别为0%, 0.005%, 0.01%, 0.02%, 0.04%, 0.08%。 Ti细化处理时连续冷却到630 ℃, Sr变质处理时均保温30 min后再连续冷却到630 ℃时分别浇注到冷的不锈钢模具中, 进行电磁搅拌制备半固态浆料, 搅拌频率为50 Hz, 搅拌电流为6 A, 搅拌时间为20 s。

金相试样经过取样、 镶样、 研磨、 抛光, 用0.5%HF水溶液腐蚀后, 在光学金相显微镜 (OLYMPUS PM-G3) 下观察组织形态。

标准拉伸试样在电子万能试验机 (AG-25TA) 上测定力学性能, 每个状态取3个试样。

2 结果与分析

2.1 Ti对半固态AlSi6Mg2合金组织的影响

Mondolfo ^[5] 研究证实Fe, Mn, Zn, Mg, Cu元素依次降低Al-Ti包晶反应温度和Ti在铝液中的溶解度, 其中Mg和Cu在降低Ti在铝液中的溶解度方面作用最强, 可使Ti的溶解度降至0.08%以下。 本文实验所用AlSi6Mg2合金中含有较高的Mg。 从多次实验结果看, Ti量在0.08%时, 就可获得显著的细化效果, 而Ti量大于0.12%时晶粒细化作用不再增加。 这可能是多余的Ti将以针状或块状AlSiTi金属间化合物形式出现, 不起晶粒细化的作用。 因此, 对于AlSi6Mg2合金, 晶粒细化的Ti加入量在0.08%~0.12%为佳。

由图1可以看出, 在电磁搅拌工艺条件下, 电磁搅拌的作用是对凝固过程中的合金熔体进行剧烈搅拌, 以抑制初生相形成树枝晶, 得到的组织均为半固态组织, 初生相α-Al呈现非枝晶近球状或蔷薇状。 图1 (a) 为未加细化剂Al-5Ti-1B的组织, 在半固态工艺条件下, 得到的初生相α-Al为非枝晶组织, 晶粒相对较大; 图1 (b) Ti含量为0.04%, Ti对α-Al晶粒有一定的细化作用, 但存在区域性, 仍有部分α-Al晶粒粗大; 图1 (c) 中Ti含量为0.08%时, 初生相α-Al晶粒相对均匀、 细小, 且组织分布相对均匀。 图1 (d) Ti含量为0.12%对半固态组织α-Al也存在细化作用, 相比较没有图1 (c) 细化晶粒效果好。 在电磁搅拌和一定量的Ti共同作用下可以得到相对细小、 圆匀的非枝晶组织, 组织致密, 可以减轻合金的热裂和偏析倾向, 降低气孔率, 从而显著提高其力学性能。

图1 α-Al基本的形貌随AlSi6Mg2合金中Ti含量的变化情况 (a) 0%; (b) 0.04%; (c) 0.08%; (d) 0.12%Fig.1 Changes of morphology and size of α-Al vs. Ti content in AlSi6Mg2 alloy

Ti对铝合金起变质作用, 使α-Al基体晶粒细化 ^[6] 。 少量Ti即可在铝液中形成大量TiAl₃固相质点, 当α相尚未开始凝固时, 这些细小弥散的质点就已析出。 TiAl₃是成分一定的化合物, 与铝的晶格型式相似, 晶格常数相近: c_TiAl3=0.857 nm, c_α-Al=0.808 nm, 故TiAl₃质点可作为α-Al非均质形核的核心; 同时, 包晶反应L+TiAl₃→α使α依附在TiAl₃质点上形核 ^[7] 。 因此, 加少量Ti即可使铝液在较小过冷度下形成大量细小的非均质晶核, 并由于过冷度较小, 晶体生长速度较慢, 从而使α-Al基体晶粒细化。 Ti过多时, 会使TiAl₃质点加速聚集长大, 并从铝液中沉淀出来, 起不到非均质形核核心的作用, 反而会使晶粒变粗。 正是由于Ti的这一作用, 在合金中加少量Ti即可提高合金的室温力学性能。

2.2 Sr对半固态AlSi6Mg2合金组织的影响

图2显示了AlSi6Mg2合金中共晶硅形态与大小随合金中Sr含量的增加的变化情况。 有图比较看出, 图2 (a) 为未变质, 共晶硅呈板条状, 图2 (b, c) 共晶硅未完全变质, 仍有部分共晶硅呈细条状, 图2 (d, e) 为完全变质, 共晶硅呈点状或短簇状。 图2 (f) 共晶硅反而变的粗大, 为过变质。 综上所述, 一定量的Sr在一定工艺条件和电磁场共同作用下能够改善共晶硅的形貌, 使其从板条状转变为点状或短簇状, 大大改善了合金的组织。 细小的共晶硅组织能够提高合金的力学性能, 特别是塑韧性能够大幅度提高, Sr变质后得到的细小的Si相在以后的固溶处理过程中易于溶解并发生钝化和球化, 而Sr变质前, 粗大的板条状Si相割裂α-Al基体, 恶化材料的力学性能, 并且固溶处理很难消除粗大的Si相及板条状Si相的危害, 同时Sr变质对于提高热处理综合性能特别是延伸率也是有利的, 因而在制备半固态AlSi6Mg2合金过程中加入一定量的Sr微量合金化元素是有益而必要的。 研究发现, 在现有的实验条件下, 半固态加工专用合金AlSi6Mg2中Sr含量为0.02%~0.04%时最佳。

有研究表明, Al-Si合金凝固过程中共晶过冷度随着合金中Sr量的增加而增大 ^[8] , 这说明共晶硅形态的变化与共晶过冷度的大小密切相关。 Na或Sr在硅相生长前沿富集, 毒化固有的生长台阶, 导致共晶过冷增大。 同时, 由于Na或Sr等变质元素原子的吸附引起硅相孪晶边界能降低。 当合金中Sr量很少时, 共晶过冷度较小, 且孪晶边界能较大, 这时产生孪晶的几率较小, 硅相主要以条状或片状形态生长。 而随着Sr量的增加, 共晶过冷度增大, 同时孪晶边界能降低, 因而孪晶的几率增大, 孪晶行为更易发生, 硅相在更多的方向上生

图2 共晶硅的形貌及尺寸随AlSi6Mg2合金中Sr含量的变化情况 (a) 0%Sr; (b) 0.005%Sr; (c) 0.01%Sr; (d) 0.02%; (e) 0.04%; (f) 0.08%Fig.2 Changes of morphology and size of eutectic silicon vs. Sr content in AlSi6Mg2alloy

长, 使得硅相产生弯折、 分叉, 硅相形态向纤维化转变, 成为点状或短簇状。

Sr对铝硅合金的共晶硅组织有着良好的变质作用, 它可以使共晶硅从板条状转变为纤维状。 李树索等 ^[9] 认为在电磁搅拌条件下添加Sr会淡化变质效果, 原因是在不加电磁搅拌条件下, 高浓度Sr富集在共晶硅Si相前沿, 阻止Si相的生长; 在强烈搅拌时, Sr在Si相前沿的浓度变小, 同时增强了Si晶胚在液相中的移动能力, 因而抵消了Sr的变质效果。 但是, 在实际电磁搅拌条件下, 随温度降低, 在初生α相析出完成后才发生共晶反应, 这时剩余的液相很少, 合金熔体的粘度很大, 电磁搅拌对剩余液相的搅拌作用将变得非常有限, 因此, Sr对改善共晶硅的形貌的变质效果不但不会减弱反而会增强, 这一点可以从上面的实验结果中得到证实。 另外, 上述实验还获得一个有益的发现, 就是在Al-Si-Mg系合金中, 添加微量Sr对Mg₂Si相也具有一定的变质作用, 但其产生的原因还需要做进一步的研究。

2.3 微量添加微量元素对半固态AlSi6Mg2合金性能的影响

表1是添加微量元素Ti, Sr对合金力学性能影响的情况, 可以看出, 添加Ti, Sr后合金的强度和塑性有所改善。 尽管受实验条件的限制, 使试样的组织均匀性较差, 造成内部组织有一定的缺陷, 影响性能测试结果。 但是实验结果表明, 添加微量元素Ti, Sr能够改善合金的综合力学性能。

研究表明, AlSi6Mg2合金其能够充分和半固态成形技术相结合, 表现出较好的组织性能和半固态加工性能, 微合金化能够改善AlSi6Mg2合金半固态组织, 在电磁搅拌条件下, Ti和电磁场共同作用下能够得到更加细小圆匀的初晶α相, Sr和电磁场共同作用下能够改善共晶硅的形貌, 使其

表1 AlSi6Mg2微合金化后的力学性能Table 1Mechanical properties of AlSi6Mg2 after micro-alloying

合金	状态	σb/MPa	σs/MPa	δ5/%
AlSi6Mg2	电磁搅拌	223	175	3.3
AlSi6Mg2+0.08%Ti	电磁搅拌	235	180	3.4
AlSi6Mg2+0.02%Sr	电磁搅拌	240	150	8

由板条状转变为点状或短簇状, 合金的综合力学性能有所提高, 特别是塑性有了很大的提高。 半固态合金设计的另一个基本要求是可热处理强化, 微量合金化元素的添加对合金热处理也有一定的影响, 因此, 还需要进一步深入研究热处理强化性能, 实现新合金AlSi6Mg2的应用。

3 结 论

1. 在电磁搅拌条件下, 半固态专用铝合金AlSi6Mg2中Ti含量为0.08%左右时, 能够细化初生相α-Al基体。

2. 在电磁搅拌条件下, 在新合金AlSi6Mg2中添加0.02%~0.04%Sr, 不仅能够改善共晶硅的形貌, 使其有板条状转变为点状或短簇状, 而且对Mg₂Si相也具有一定的变质作用。

3. Ti使AlSi6Mg2的抗拉强度和屈服强度都所增加, Sr能改善合金的力学性能, 其中塑性从3.3%提高到8%, 提高了1倍以上。

参考文献

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