關(guān)于Sc對A356合金組織和性能影響的研究
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作者：鄭曉敏
Sc是一種稀土元素，在鋁合金中添加少量Sc，能對合金的微觀組織結(jié)構(gòu)和性能產(chǎn)生明顯的影響，使其強度、耐腐蝕性能、焊接性能等得到提高。Sc在鋁合金中還具有良好的彌散強化作用，是鋁合金有效的晶粒細化劑和再結(jié)晶抑制劑。因此，Sc已成為一種重要的新型鋁合金微合金化添加元素。關(guān)于Sc對鑄造鋁合金的作用，相關(guān)的報道還比較少。本課題擬采用Sc對A356合金進行變質(zhì)處理，研究其對A356合金的微觀組織和力學(xué)性能的影響。
1 試驗方法
試驗材質(zhì)為A356.2，其成分見表1。A356合金由ZL102合金、99. 9%的純Mg、99. 9%的純Al配制而成，Sc以Al-20Sc中間合金形式加入，加入量分別為0.10%、0.15%、0.20%、0.30%。
采用坩堝電阻爐熔煉ZL102鋁合金，先將ZL102合金于740 0C熔化，然后降溫到700℃，用鐘罩將用鋁箔包著的純鎂壓人熔體，全部熔化后，再在740℃下用C2 Cl6進行一次精煉處理，保溫10 min后撇渣，然后加入不同含量的Al-20Sc中間合金，攪拌均勻，然后在熔體表面撒上覆蓋劑進行二次精煉，再撒人覆蓋劑，靜置5～10 min后撇渣，在720℃澆注到銅鑄型中制得金相試樣，另外，還用鑄鐵金屬型澆注抗拉試棒。熔煉澆注后，將得到的試樣進行光譜成分分析，結(jié)果見表2。
在澆注的各鑄塊的同一部位上切取試樣進行金相組織觀察，腐蝕液采用體積分數(shù)為0. 5%的HF溶液；采用能譜儀及面掃描的方法定性分析基體及第二相的成分，以確定各元素在基體中的分布狀況；采用SEM掃描組織中Si的形貌；抗拉試驗在CSS-WAWDL系列電動伺服萬能試驗機上進行。硬度測試在布氏硬度儀上進行。
2 試驗結(jié)果與分析
2.1 Sc對A356合金顯微組織形態(tài)的影響
2.1.1Sc對A356合金初生a相的影響
圖1是不同Sc含量時A356合金組織的影響。圖la是不含Sc的A356合金的微觀組織�？梢钥吹酱执蟀l(fā)達的初生a相樹枝晶組織，二次枝晶直徑和長度都比較長，枝晶間距也比較大；而加入0. 10%N0. 15%的Sc后，初生a相的形態(tài)和尺寸發(fā)生了明顯改變，一次晶的數(shù)量增多，二次枝晶間距開始減小，還出現(xiàn)了相當多的薔薇狀a相，甚至還有部分形狀圓整的球狀a相（見圖1b和圖1c)；當Sc的加入量為0.20%時，A356合金的初生a相進一步細化，晶體數(shù)量多且細小均勻，形狀圓整的顆粒狀晶晶粒數(shù)量更多，也更細小，見圖1d;然而，當Sc的加入量增加到0.30%后，初生a相的形態(tài)不變，但是尺寸不再繼續(xù)縮小。
為了能夠定量地比較不同Sc含量的A356合金初生a相尺寸的大小，采用Image-Pro-Plus軟件對微觀組織中晶粒的尺寸和形狀因子進行了計算分析，初生a相平均晶粒的尺寸為：
式中，A為晶粒面積；P為晶粒周長。
平均晶粒尺寸D越小，形狀因子F越接近1，表明晶粒越圓整。通過對不同Sc含量的A356合金微觀組織中初生a相的分析，其平均尺寸和形狀因子見圖2。
從圖2中可以看出，未添加Sc的A356合金，其初生a-Al平均晶粒尺寸為69.6um，隨著Sc的加入，平均晶粒尺寸顯著減小。加入0. 20%的Sc，a-Al晶粒的平均尺寸減小到27.4um。再加入0.30%的Sc，晶粒尺寸為27.2um，晶粒尺寸趨于穩(wěn)定，這說明加入0. 20%的Sc，變質(zhì)效果已經(jīng)達到最優(yōu)。圖2也說明了隨著Sc含量的增加，初生a-Al晶粒的形狀因子逐漸增大，由0. 49增加到0.80。說明隨著Sc的加入，初生a-AI相形狀由樹枝狀變得越來越圓整。綜上所述，隨著Sc的加入，A356合金的初生a-Al相的晶粒尺寸逐漸減小，形狀也變得越來越圓整。
通過對Sc含量為0.30%的A356合金進行SEM分析（見圖3），在掃描電鏡下可以觀察到細小方塊狀相，其尺寸為8～10um ，通過EDS能譜分析，發(fā)現(xiàn)主要成分為Al3Sc。這個相可能是細化初生a-Al相的異質(zhì)形核核心。
未變質(zhì)的A356合金組織主要由樹枝狀a-Al基體，粗大針片狀共晶Si，以及少量Mg2Si組成。在合金中添加Sc后，據(jù)Al-Sc二元相圖，在655 0C時，共晶轉(zhuǎn)變形成Al3 Sc。由于Al3 Sc的晶格類型為面心立方結(jié)構(gòu)，晶格常數(shù)為0. 410 nm，而a-Al也是面心立方結(jié)構(gòu)，晶格常數(shù)為0. 405 nm，a-Al與Al3Sc的晶格錯配度為
式中，ac為a-AI相的晶格參數(shù)；a N為AI3 Sc的晶格參數(shù)。經(jīng)過計算，
=1.2%<5%，a-Al與Al3Sc完全共格，其界面能很小，因此Al3Sc可作為a-Al的結(jié)晶核心，細化a-Al晶粒。根據(jù)非均勻形核理論，鑄態(tài)晶粒的細化程度取決于單位時間內(nèi)、單位熔體中形成的晶核數(shù)目（形核率）和晶核的有效形核作用，而晶核的有效形核作用依賴于形成的晶核與a-Al基體的晶格常數(shù)和類型。所以，隨著Sc含量增加，異質(zhì)核心Al3Sc增多，a-Al晶粒更加細小。當加入0.20%的Sc時，異質(zhì)核心Al3Sc的數(shù)量分布最多，a-Al晶粒高度細化，呈等軸晶分布。再繼續(xù)添加Sc，此時部分異質(zhì)核心Al3Sc發(fā)生偏聚或是Sc與雜質(zhì)反應(yīng)生成大量稀土夾雜，造成異質(zhì)核心Al3 Sc的數(shù)量減少，進而使A356合金晶粒不再顯著減小。
2.1.2 Sc對A356合金中共晶S i形貌的影響
圖4為不同Sc含量的A356合金中共晶S i形貌。從圖4a可以看出，未經(jīng)Sc處理的合金組織中共晶S i呈現(xiàn)出粗大的針片狀，當其受力時，共晶Si相尖銳棱角處應(yīng)力集中程度大，畸變能比較高，易在該處產(chǎn)生微裂紋并擴展，合金的強度和塑性較低，此時的組織性能較
差。根據(jù)Al-Sc二元相圖，Sc在Al中的溶解度不大，最大的溶解度為0. 35%，共晶點處成分為0.55%。溫度降低時，Sc在Al中的溶解度隨之降低。所以，加入Sc后，一部分Sc溶入a-AI中，隨著溫度降低，結(jié)晶的a-Al增多，溶于其中的Sc越來越少，大部分Sc富集于剩余液相。隨著溫度降低到共晶溫度，剩余液相轉(zhuǎn)化為共晶Si。由于表面活性元素Sc的富集，極易吸附在共晶Si的生長孿晶槽中，限制了孿晶的擇優(yōu)生長。當Sc嵌入到共晶Si的晶格中時，由于原子尺寸差異大，引起Si相晶格畸變，促使Si相形成多個方位的生長臺階，根據(jù)熱力學(xué)與動力學(xué)理論，Si向著容易生長方向分枝生長見圖4b～圖4e。特別在Si相分枝、轉(zhuǎn)折的夾角處，Sc元素富集程度大，此處很容易產(chǎn)生頸縮、熔斷，形成細小蠕蟲狀、點狀的共晶Si。同時，有研究發(fā)現(xiàn)Sc能降低Al-Si鑄造合金的共晶形核溫度和生長溫度。Si相形貌取決于形核溫度和生長溫度，即在小過冷度情況下，Si相以小平面化的側(cè)面生長方式生長，而在大過冷度情況下，Si則以非小平面的均勻生長方式生長。所以，往A356合金中加入Sc后，其降低Si相的形核溫度及改變Si相的生長方式，進而導(dǎo)致Si相形貌的改變。
2.2 Sc含量對A356合金力學(xué)性能的影響
Sc含量對A356合金鑄態(tài)組織力學(xué)性能的影響規(guī)律見圖5。從圖5可以看出，未添加Sc的A356合金，其抗拉強度僅為170. 43 M Pa，屈服強度為84. 82 M Pa，伸長率為4.9%；加入0. 20%的Sc后，合金抗拉強度提高到210. 58 M Pa，提高了23. 7%，屈服強度提高到100. 48 M Pa，提高了18. 5%，伸長率為6.5%，提高了32. 7%。Sc添加量增加到0.30%時，合金抗拉強度降至208. 27 M Pa，屈服強度降至99. 96 M Pa，伸長率降至6. 2%，下降幅度較小。
表3是不同Sc含量時A356合金的硬度，隨著Sc含量的增加，A356合金的硬度值逐步增加，在Sc含量為0. 20%時，其硬度(HB)達到最大值67.5，較未加Sc的合金硬度提高了16. 4%。Sc含量繼續(xù)增加，則合金硬度有輕微下降。
綜上所述，未添加Sc的A356合金組織中，初生a-Al晶粒粗大，共晶Si呈針片狀，容易產(chǎn)生應(yīng)力集中，力學(xué)性能較差。添加Sc后，在冷卻到655℃時發(fā)生共晶反應(yīng)，生成Al3 Sc，而Al3 Sc與a-Al的晶格類型相同，品格參數(shù)相近，可作為a-Al晶粒的異質(zhì)晶核核心，從而細化了a-Al晶粒，且細化后a-Al晶粒輪廓也變得圓整。隨著初生a-Al的結(jié)晶，剩余液相中Sc富集，隨后生成共晶Si時，Sc吸附在共晶Si的生長孿晶槽中，限制了孿晶的擇優(yōu)生長，從而改變了共晶Si的形貌。加入Sc后，A356合金組織中初生a-Al晶粒顯著細化，共晶Si形貌由針片狀變?yōu)槎贪魻睢⑷湎x狀、點狀，其力學(xué)性能顯著提高。當Sc含量為0．20%時，A356合金的力學(xué)性能最優(yōu)，繼續(xù)增加Sc含量，Sc跟一些雜質(zhì)反應(yīng)，反而造成Sc的變質(zhì)效果不佳，影響力學(xué)性能。
3 結(jié) 論
(1)加入Sc變質(zhì)可以使A356合金中的初生a-Al相細化，二次枝晶間距顯著減小，形狀由粗大的樹枝晶狀變?yōu)榧毿》稚⒌牡容S晶狀和薔薇狀、顆粒狀。當Sc含量為0. 20%時，對A356合金的初生a-Al相細化效果最理想。
(2)Sc對A356合金中共晶Si的形態(tài)有強烈的變質(zhì)作用，加入0. 20%的Sc可以使共晶Si由粗大的針片狀變?yōu)槔w維狀、蠕蟲狀、點狀。
(3)加入Sc能夠大幅度提高A356合金的鑄態(tài)力學(xué)性能，其中加入0. 20%的Sc，A356合金的鑄態(tài)抗拉強度、屈服強度、伸長率、硬度( HB)分別為210. 58M Pa、100. 48 M Pa、6.5%和67.5，較未添加Sc的合金分別提高了23. 7%、18. 5%、32. 7%和16. 4%。
4摘 要加入0.10%～0. 30%的稀土Sc對A356合金中進行變質(zhì)處理，以研究稀土Sc對A356合金微觀組織和力學(xué)性能 的作用。結(jié)果表明，加入Sc可以使A356合金微觀組織中的初生a相顯著細化，由粗大的樹枝晶變?yōu)榧毿�、無定向的枝晶，并且形態(tài)變得圓整，出現(xiàn)了大量的薔薇狀和顆粒狀的a相。Se加入量為0.20%時，對a相的細化效果最理想；同時，Sc還使A356合金微觀組織中的共晶Si尺寸顯著減小，由粗大的針狀變?yōu)槿湎x狀和點狀。加入0.20%的Se的A356合金，其鑄態(tài)下抗拉強度為210. 58 M Pa，屈服強度為100. 48 M Pa，伸長率為6.5%，硬度(HB)為67.5。
