简介概要

稀土Nd对活塞用Al-Si合金显微组织和力学性能的影响

来源期刊：稀有金属2017年第10期

论文作者：郭永春郭松松李建平

文章页码：1069 - 1076

关键词：铝硅合金;钕;微观组织;力学性能;变质处理;

摘要：研究了Nd含量对活塞用Al-Si合金的组织演变和力学性能的影响。通过金相显微镜（OM）、扫描电子显微镜（SEM）分析了Nd对该合金凝固过程中析出相的形貌和分布的影响。并对其力学性能进行了测试研究。结果表明:当Nd含量≤0.3%时,随着Nd含量的增加,α-Al基体得以细化。在Nd含量0.3%时,初生硅的等积圆直径较未添加Nd时减小了73%,当Nd含量增加至0.8%及以上时,合金中出现了富稀土相,其力学性能显著降低。Nd含量为0.3%的Al-Si合金的350℃抗拉强度较未添加Nd的Al-Si合金提高了29.8%。由于Nd元素聚集在AlCuNi相周围,造成了成分过冷,抑制了AlCuNi相的长大,AlCuNi相由粗大的骨骼状转变为细小的棒状。

网络首发时间: 2017-05-04 10:46

稀有金属 2017,41(10),1069-1076 DOI:10.13373/j.cnki.cjrm.xy16120009

稀土Nd对活塞用Al-Si合金显微组织和力学性能的影响

郭永春郭松松李建平

西安工业大学材料与化工学院

摘要：

研究了Nd含量对活塞用Al-Si合金的组织演变和力学性能的影响。通过金相显微镜 (OM) 、扫描电子显微镜 (SEM) 分析了Nd对该合金凝固过程中析出相的形貌和分布的影响。并对其力学性能进行了测试研究。结果表明:当Nd含量≤0.3%时, 随着Nd含量的增加, α-Al基体得以细化。在Nd含量0.3%时, 初生硅的等积圆直径较未添加Nd时减小了73%, 当Nd含量增加至0.8%及以上时, 合金中出现了富稀土相, 其力学性能显著降低。Nd含量为0.3%的Al-Si合金的350℃抗拉强度较未添加Nd的Al-Si合金提高了29.8%。由于Nd元素聚集在AlCuNi相周围, 造成了成分过冷, 抑制了AlCuNi相的长大, AlCuNi相由粗大的骨骼状转变为细小的棒状。

关键词：

铝硅合金;钕;微观组织;力学性能;变质处理;

中图分类号： TG146.21

作者简介：郭永春 (1972-) , 男, 山西阳泉人, 硕士, 教授, 研究方向:轻合金基复合材料, 电话:13519108385, E-mail:yc-guo@163.com;

收稿日期：2016-12-07

基金：国家重点基础科研项目 (613224);陕西省教育厅重点实验室科研计划项目 (16JS044);装备预研领域基金重点项目 (61409220103);陕西省创新人才推进计划-科技创新团队 (2017KCT-05) 资助;

Microstructure and Mechanical Properties of Al-Si Piston Alloy with Different Nd Contents

Guo Yongchun Guo Songsong Li Jianping

School of Materials and Chemical Engineering, Xi'an Technological University

Abstract：

The microstructure evolution and mechanical properties of Al-Si piston alloys with different Nd contents were studied. The influence of Nd on the solidification process of precipitated phase morphology and distribution of the Al-Si piston alloys were observed by the optical microscope ( OM) , scanning electron microscope ( SEM) . The mechanical properties were also tested. The results showed that when Nd content was below 0. 3%, α-Al matrix was refined. The equal-area-circle diameter of primary silicon was decreased by 73% compared with that of the Al-Si alloy without Nd addition when the content of Nd was 0. 3%. While, when the Nd content exceeded 0. 8%, a new noodle-like phase was found, which could make the mechanical properties decrease seriously. The tensile strength of 350 ℃ increased by 29. 8% compared with that of the Al-Si alloy without Nd addition when the content of Nd was 0. 3%. The constitutional supercooling caused by Nd element, which gathered around AlCuNi phase, inhibited the formation of AlCuNi phase. Hence, the shape of AlCuNi phase turned into small bars from thick bones.

Keyword：

Al-Si alloy; Nd; microstructure; mechanical property; modification;

Received： 2016-12-07

活塞是发动机的重要零件之一, 被称为发动机的“心脏”。承受着高的交变机械负荷与热负荷。随着发动机功率密度的提升, 对活塞材料的抗疲劳性能提出了越来越高的要求^[1,2]。Al-Si系共晶合金由于具有高综合力学性能, 低热膨胀系数, 良好的耐磨性和抗蚀性等特点, 被普遍应用在发动机活塞上。共晶Al-Si合金在非平衡凝固条件下, 会形成初生硅、共晶硅、复杂的铝铜镍相等, 粗大的第二相往往成为活塞合金高周疲劳过程中的裂纹源, 严重制约活塞疲劳寿命的提升, 因此Si相及其他铝铜镍相的形貌和尺寸变化对共晶型Al-S合金的力学性能起着至关重要的作用^[3,4,5,6]。

目前, Al-Si合金常见的变质方法主要有钠变质、锶变质、锑变质、稀土变质以及磷变质等^[7,8]。文献[9]研究了复合变质对过共晶铝硅合金中硅相的影响, 稀土元素含量在1.0% (质量分数) 左右时, 变质作用较佳。Tsai等^[10]研究了稀土元素对A356铝合金的组织和性能的影响, 发现在A356铝合金中加入1%的La或者Ce时, 共晶硅会从长条状变为短棒状。李荣德等^[11]研究了Nd对亚共晶Al-Si合金的热处理态的力学性能的影响, 发现Nd的添加并没改变合金中的强化相组成, 但添加Nd后, 合金中的Si相明显得到细化, 密度增大, 细小的Si相有利于阻碍位错运动, 提高合金的抗拉强度。Shi等^[12]研究了Nd含量对过共晶Al-15Si合金的影响, 发现Nd的加入量为0.3%时, 初生Si的尺寸从20~40μm减小到10~20μm。共晶型活塞合金是Al-Si-Cu-Mg-Ni-Ti等多元系合金, 包含多种复杂凝固析出相, 稀土Nd对其析出相的影响报道较少。因此, 本文主要研究活塞合金中加入不同含量的稀土元素Nd后, 对其凝固过程中析出的第二相的细化作用。

1 实验

在Al-13Si-4Cu-2Ni-Mg系活塞合金加入稀土钕, 加入量为0%, 0.2%, 0.3%, 0.4%, 0.8%。

熔炼过程:首先加入纯Al, 纯Si, 待Si全部熔化后加入Al-10Ni, Al-50Cu, 纯Mg, 在740~760℃加入稀土钕和磷盐变质剂, 静置5 min后, 在720~730℃, 加入C₂Cl₆除气剂。静置20 min进行浇注 (金属型) 。制得拉伸试样。用直读光谱仪 (型号为BRUKER Q4 TASMAN) 对浇注后的合金成分进行检测, 各元素质量分数结果列于表1中。各元素的质量分数和设计的成分基本相同。

对拉伸试样进行热处理, 500℃固溶5 h, 水淬;215℃时效, 3 h, 空冷。测定室温和350℃高温拉伸性能。拉伸测试试样如图1所示, 拉伸实验采用长春机械科学研究院有限公司生产的电子万能试验机, 其型号为D2-0200-1。拉伸速率是1 mm·min^-1。每组试样均进行3次拉伸, 然后取其平均值。

表1 各元素的质量分数Table 1 Mass fraction of each element (%, mass fraction) 下载原图

表1 各元素的质量分数Table 1 Mass fraction of each element (%, mass fraction)

图1 拉伸试样示意图Fig.1 Diagram of tensile sample (mm)

采用Nikon EPIPHOT300光学显微镜 (OM) 和Quanta 400F热场发射扫描电子显微镜 (FESEM) (带INCA能谱仪 (EDS) ) , 进行组织分析。

为了定量描述初生硅的大小, 对不同Nd含量的各个成分的试样均选取5张100倍的金相照片, 用image pro plus 6.0软件测定初生硅的面积和周长, 并且用式 (1) 和式 (2) 对初生硅的等积圆直径D和平均形状因子F进行了计算^[13]。采用截线法测定共晶硅片的平均长度来表示共晶硅的大小, 如图2所示。

式中D为等积圆直径, A为晶粒面积, P为晶粒周长, F为平均形状因子。D越小, 初生硅的颗粒越小, F值越接近于1表明圆整度越高。

2 结果和讨论

2.1 合金显微组织的分析

图3是不同Nd含量的金相照片, 从图3中可以看出, 随着Nd含量的增加, α-Al二次枝晶间距趋于减小, 由未添加Nd时的14.316μm减小到0.4%Nd时的10.746μm, Nd含量超过0.4%后α-Al枝晶消除。这说明稀土Nd对枝晶间距具有明显的减小作用, 在Nd达到一定量 (0.4%) 时, 枝晶消除, 转变为较为均匀的等轴晶;灰黑色的初生硅成块状分布, 当Nd的加入量小于0.3%时, 随着Nd含量的增加, 初生硅的尺寸减小, 且分布趋于均匀, 当Nd含量超过0.3%时, 随着Nd含量的增加, 初生Si的尺寸又开始变大。灰黑色共晶硅由棒状或针状变成了短棒状。

图2 初生硅和共晶硅大小的测定Fig.2 Determination of size of primary Si (a) and eutectic Si (b)

图3 不同Nd含量的初生和共晶硅金相照片Fig.3 OM images of primary and eutectic Si with different contents of Nd (a) 0%Nd; (b) 0.2%Nd; (c) 0.3%Nd; (d) 0.4%Nd; (e) 0.8%Nd

图4是初生硅的等积圆直径和平均形状因子, 以及共晶硅的尺寸的计算结果, 由图4 (a) 可以看出, Nd含量在0.3%时, 初生Si的等积圆直径最小, 平均形状因子也有明显的变化, 可以看出, 在Nd含量0.4%时, 初生Si圆整度最好。由图4 (b) 可以得出共晶Si的平均长度随着Nd含量的增加逐渐减小。因此, 可以说明Nd对初生Si和共晶Si都有细化作用, 但是对初生Si的形貌没有明显的改善。

2.2 合金的拉伸性能分析

图5为室温抗拉强度及延伸率随Nd含量变化曲线, 可以看出, 随着Nd含量的增加, 合金的抗拉强度和延伸率都是先升高, 后下降。未添加Nd时, 该合金的抗拉强度为311.85 MPa, 当Nd的加入量在0.3%时, 抗拉强度达到最大值为316.88MPa, 对合金的室温拉伸强度几乎没有影响。而添加量为0.8%时, 会形成长的针状富稀土相, 严重割裂基体, 使得该合金的力学性能下降。Nd含量在0.3%时, 合金的抗拉强度和延伸率最好。

图4 Nd含量对合金中初生Si和共晶Si尺寸的影响Fig.4 Effect of Nd content on microstructure parameters of primary Si (a) and eutectic Si (b)

图5 常温拉伸抗拉强度和延伸率随Nd含量变化曲线Fig.5 Room temperature strength and elongation curve vs.Nd content

图6是拉伸断口的扫描照片, 从宏观上看, 断口上出现了解理面, 河流状花样和拉伸断裂后初生硅的断裂面, 该合金的断裂属于解理断裂。图6 (b) 中, A处是断裂后初生硅的断面, 是从硅块尖端应力集中处产生的裂纹扩展形成脆性断裂。B处是初生硅周源的裂纹。从微观上看, 初生硅的断裂面在Nd含量为0.3%时最小, 这与前面的初生硅大小的计算结果相符合, 并且初生硅上的微裂纹也相对减少, 比其他试样的裂纹要细小且浅。韧窝分布也比较均匀, 因此, 合金的抗拉强度较高, 塑性较好。

图7为高温抗拉强度及延伸率随Nd含量变化曲线。可以看出, 随着Nd含量的增加, 合金350℃的抗拉强度先升高, 后下降。未添加Nd时, 该合金的抗拉强度为94 MPa, 当Nd的加入量在0.3%时, 抗拉强度达到最大值为122 MPa, 比未添加时增加了29.8%。

图6 常温断口扫描图Fig.6 SEM fracture appearance

(a) 0%Nd; (c) 0.3%Nd; (e) 0.4%Nd; (g) 0.8%Nd; (b) , (d) , (f) , (h) being amplified pictures of (a) , (c) , (e) , (g)

图8是350℃拉伸后的断口照片, 可以看出, 断口表面不平, 其上出现了解理面, 河流状花样和拉伸断裂后初生硅的断裂面, 所以该合金的断裂属于解理断裂。断裂面都是从初生Si处产生。从微观上看, 有少量韧窝存在, 表现出一定的韧性断裂特征。对比图8 (a) 和 (c) , 可以看出, Nd含量在0.3%时, 断裂面比未添加时小且多。

图7 350℃抗拉强度和延伸率随Nd含量变化曲线Fig.7 350℃strength and elongation curve vs.Nd content

2.3 分析讨论

本实验所选的活塞合金除初生Si和共晶Si相外, 还有许多复杂的金属间化合物相, 其中Al Cu N相是该合金中的主要高温强化相^[14], 有δ-Al₃Cu N相和γ-Al₇Cu₄Ni相两种, δ-Al₃Cu Ni主要以骨骼状存在, 而γ-Al₇Cu₄Ni相主要以块状存在, 并且分布在的周围^[1]。

图9是加入不同Nd含量时的扫描照片。图9 (a) 和 (b) 未添加Nd, 图9 (c) 和 (d) 添加0.3%Nd。可以看出, 当不加入稀土Nd的时候, Al Cu N相主要是以粗大的骨骼状存在, 也有部分是以小的块状存在;加入稀土Nd的含量为0.3%时, AlCu Ni相由粗大的骨骼状改变成细小的短棒状且分布均匀。

图10和表2是Al Cu Ni相的能谱分析, 由点2可以看出, 该相为Al Cu Ni相, 并且在Al Cu Ni相骨架的尖端部位会出现稀土相的聚集, 分布也不均匀, 由能谱可以看出, 这种新相是Al, Cu, Ni和Nd组成的复杂化合物。由于Nd的存在, 减缓了Cu, Ni等元素的迁移速率^[15], 抑制了Al Cu Ni相的长大, 使其更加均匀地分布, 起到弥散强化的作用。

图11是Al Cu Ni相的面扫描结果, 可以看出, Nd元素在Al Cu Ni相周围聚集, 造成成分过冷, 即在凝固过程中, Nd富集使结晶温度大为降低, 减小了实际过冷度, 抑制了该相的长大, 使其更加均匀地分布, 起到弥散强化的作用。

图8 350℃断口扫描图Fig.8 SEM fracture appearance of 350℃

(a) 0%Nd; (c) 0.3%Nd; (b) , (d) being amplified pictures of (a) , (c)

图9 不同Nd含量合金的扫描照片Fig.9 SEM images of alloys with different Nd contents (a) 0%Nd; (b) 0%Nd; (c) 0.3%Nd; (d) 0.3%Nd

图1 0 Al Cu Ni相的能谱分析Fig.10 EDS analysis of Al Cu Ni phase

表2 各元素含量Table 2 Element contents of alloys (%, atom fraction) 下载原图

表2 各元素含量Table 2 Element contents of alloys (%, atom fraction)

当Nd含量超过0.8%时, 会形成一种长针状的相。如图12所示。由能谱可以看出该相是富Nd相, 当Nd的加入量过多时, 主要是形成了富稀土相, 该相呈长大的针状, 割裂了基体, 从而减弱了Nd元素的变质作用, 这也和上面对初生Si等积圆直径大小计算的结果相吻合。也和文献[16]报道的结果类似, 即在Al-Si合金中, 会形成Al Si_xNd_y, 这种相的存在, 会严重损害材料的力学性能, 使材料的力学性能迅速下降。