原標題：Zn對壓鑄Al-Si合金共晶Si的粗化及粗化后變質處理

摘要：通過微觀組織觀察和力學性能測試等方法，研究了Zn元素對壓鑄Al-10Si-0.3Mg-0.6Mn合金的影響，在此基礎上進行Sr和RE的變質處理，獲得了一種綜合性能良好的壓鑄鋁合金。結果表明，Zn元素的固溶強化使合金的強度得到提升，但原來細小的共晶Si變得粗大，出現長條狀和塊狀的硅，合金伸長率下降。加入400 ppm的Sr和0.1%的La/Ce混合稀土使粗化的共晶Si重新得到細化，最終獲得的合金的屈服強度為167 MPa、抗拉強度為324 MPa、伸長率為10.2%。

壓鑄鋁合金具有較高的比強度、良好的鑄造性能、加工性能、可再生性能以及優良的導電導熱性能，廣泛應用于汽車、航空航天和電器工業等領域。Al-Si壓鑄合金因結晶溫度區間小、硅相凝固結晶潛熱和比熱容大、線收縮率小、且具有良好的流動性能、充型性能和較小的熱裂、縮松傾向，廣泛應用。但傳統的壓鑄Al-Si合金塑性較差，難以滿足汽車行業高速發展的要求。為滿足性能要求，目前主要通過引入強化元素來實現性能改善，另外通過變質共晶Si提高合金的塑性。

壓鑄Al-Si合金中常見的強化元素有Mg、Cu等，Mg可與Si形成Mg2Si，在合金組織中彌散析出起到強化作用，提高合金的屈服強度；Cu可作為合金中的固溶元素，同時可與Al形成Al2Cu相，起到固溶強化和析出強化的作用，提高合金的屈服強度和抗拉強度。在Al-Si合金中Zn元素很少作為強化元素進行研究，張曉麗探究了Zn對Al-Si-Cu-Mg合金組織和性能的影響，發現在1%含量范圍內Zn可促進Si相的圓整化，提升合金的硬度、強度，但伸長率 降低。楊承志等[17]、YASIN A等進一步擴大了Zn的含量，研究了質量分數超過1%的Zn對近共晶鋁硅合金性能的影響，發現當Zn含量超過1%，合金的強度和硬度隨著Zn含量增加而提升，伸長率下降，合金中共晶Si尺寸增加，出現片狀和針狀。趙浩峰等的研究也得到類似的結論。Zn添加至Al-Si合金中，當含量超過1%會使共晶Si尺寸增大。顯然，Zn的引入能夠提升合金的強度，但由于粗化共晶Si，導致伸長率下降。目前的研究主要集中在重力鑄造，對于Zn元素粗化共晶Si的原因未給出解釋，同時也沒有給出解決方案。因此，有必要研究在壓鑄快速冷卻的條件下Zn對Al-Si合金組織性能的影響，與此同時引入變質元素，解決共晶Si粗化的問題。

本課題選取Al-10Si-0.3Mg-0.6Mn作為研究對象，采用壓鑄方式，加入2.5%的Zn，之后進一步加入Sr和La/Ce對合金進行變質處理，探究不同元素對合金力學性能、組織特征、斷裂行為的影響，從而獲得一種高強高韌壓鑄鋁合金。

1、試驗設備與試驗合金

試驗中選擇Al-10Si-0.3Mg-0.6Mn壓鑄鋁合金(Z1合金)作為基礎合金，依次加入2.5%的Zn、400ppm的Sr、0.1%的La/Ce混合稀土，獲得合金Z2、Z3、Z4，以純Al、Si、Mg、Zn和Al-10Mn、Al-10Sr、Al-10(La/Ce) 中間合金為原材料。合金的實際成分通過光譜和ICP測定，見表1。圖1為壓鑄模具和拉伸棒尺寸，拉伸試棒尺寸根據GB/T13822-2017設計。

表1:合金實測成分  wb/%

圖1:壓鑄模具和拉伸試棒尺寸

拉伸設備為Zwick/Roell-20kN萬用拉伸機，拉伸試驗在室溫下進行，每種合金成分試棒隨機選取5根，拉伸曲線通過附在拉伸機上的引伸計得到，標距為50 mm，拉伸速率為1 mm/min。通過X射線衍射（XRD）鑒別合金中的相組成，X射線光源為Cu靶。從拉伸試樣切取1~2 mm進行鑲樣，經過機械研磨、拋光后，用HF溶液(0.5mL的HF、100mL的H2O)進行腐蝕，利用Zeiss Axio光學顯微鏡進行OM觀察，Apollo300 掃描電鏡進行高倍顯微組織、斷口觀察和能譜分析，通過Image Pro6.0進行晶粒尺寸分析并獲得α-Al面積分數。TEM(transmission electron microscope)觀察在JEM-2100F上進行。

2、試驗結果和討論

2.1 微觀組織分析

圖2為壓鑄Al-10Si-0.3Mg-0.6Mn合金的典型微觀組織，拉伸試棒截面可分為A、B、C3個區域，在距離試樣表面1 300~1 500 μm處有一圓環，寬度大約為200 μm(見圖2a中B區域)，由于該處缺陷一般較多，稱為缺陷環。缺陷環可認為是試樣表層組織和心部組織的分界區域。圖2b~圖2d是3個區域的進一步放大OM照片，可見表層組織由于冷卻速率大，α-Al晶粒尺寸細小且都呈現薔薇狀，明顯小于另外兩個區域；心部組織中α-Al存在兩種形態，一種尺寸小、形態圓整，另一種尺寸明顯偏大(見圖2d中圓圈內)，這些晶粒可能是在料筒中的結晶組織，隨后被金屬液沖刷至試棒中繼續長大所致。

(a)低倍整體形貌 (b)A區域組織 (c)B區域組織 (d)C區域組織
圖2:合金Z1典型組織OM照片

表2為各合金的初生α-Al平均晶粒尺寸(等效直徑，包括預結晶組織在內) 和面積分數(初生α-Al總面積/(初生α-Al總面積+共晶區總面積))。3個區域中，缺陷環上α-Al面積分數低于其他兩個區域，即缺陷環上共晶區面積分數更高。從α-Al平均晶粒尺寸看，加入Zn后對晶粒尺寸的影響不大，Z1合金各區域晶粒尺寸均大于另外3種合金，在Z1合金中可以看到更多預結晶α-Al。有研究表明，加入La/Ce元素能夠細化初生α-Al，在此次試驗中這種變化不明顯，無法排除統計誤差。

表2:初生α-Al平均晶粒尺寸和面積分數

圖3為不同成分合金的SEM照片。可以看出，Z1合金中共晶Si尺寸基本在1 μm左右，多為圓點狀；只有少部分是超過1 μm的長條狀，這可以保證合金的伸長率。Z2合金中共晶Si明顯更粗大，達到3~4 μm，不僅長度增大，寬度也增大，部分為折線型(圖5b中紅色圓圈內)；在尺寸粗大的共晶Si中間存在少量細小的Si相。由于尺寸增大，共晶Si間距增大。加入Sr元素后，共晶Si尺寸得到一定的細化，但和Z1合金相比，更多的還是條狀的共晶Si。Z4合金中共晶Si尺寸進一步減小，可以看到很多點狀的硅，尺寸甚至比Z1合金更小，只是在α-Al晶界處存在少量尺寸大的硅。

(a)合金Z1 (b)合金Z2 (c)合金Z3 (d)合金Z4
圖3:不同合金的SEM形貌

對4種合金進行XRD分析，結果見圖4，可見加入Zn元素組織中未出現新的相，還是主要由α-Al、Si以及Al(Fe/Mn)Si相組成。圖5a、圖5b分別是是Z2合金和Z4合金的EDS面掃描分析結果，可見合金Z2(圖5a)中Zn元素沒有明顯的偏聚，分布比較均勻，Sr元素分布與Si元素分布基本一致，說明Sr元素對共晶Si起到變質作用。加入Sr和La/Ce元素后(圖5b)，面掃描結果和合金Z2一樣，Si、Sr、Zn元素分布情況保持不變，紅色圓圈區域La/Ce元素含量較高，選取A點進行分析(見圖5c)，可以看出該處主要由Al、Si、Zn、La、Ce組成，即部分RE元素和Al、Si、Zn形成新相，由于含量小，XRD分析未檢測出。

圖4:XRD分析結果

(a)合金Z2元素分析面掃描結果,(b)合金Z4元素分析面掃描結果,(c)圖(b)中A點成分分析
圖5:合金Z2、Z4元素分析面掃描結果及成分分析

圖6和圖7是Z2合金的TEM圖片及面掃描、線掃描結果。可以看出，Zn元素的分布和Al元素的分布基本一致，圖7中線掃描結果進一步證明在共晶Si區域Zn含量很低，說明Zn元素主要固溶在α-Al中。進一步對α-Al進行EDS分析，結果見表3。Sr和La/Ce元素的加入沒有改變Zn元素在α-Al中的固溶量，Z2、Z3、Z4合金的初生α-Al中Zn元素含量在1.5%左右，共晶區α-Al中含量達到2.5%左右，即共晶區內Zn在α-Al中固溶量更高，這也與凝固過程吻合。凝固開始時先形成初生α-Al，溶質含量低，使剩余金屬液中溶質含量提高，后續共晶反應生成的α-Al中Zn的固溶量高于初生α-Al。 隨后在共晶凝固時，由于Zn主要在Al相固液前沿富集，阻礙Al相的生長，使得Si相的生長速率相對得到提升，Si相獲得更大的生長空間，從而使Si相變得粗大，見圖7a。Sr作為Al-Si合金中常用的變質劑，主要是通過元素Sr吸附在鋁硅合金的硅相組織表面影響共晶Si的生長，從而達到細化晶粒的效果，目前普遍接受的理論有雜質誘導孿生理論[26]和雙平凹角機制。由圖5a、圖5b可知，Sr元素分布與Si分布一致，因此在Z3合金中，Sr元素含量的提升使得更多的Sr元素富集在共晶Si的兩端，在共晶Si生長前沿形成了Al-Si-Sr薄層，對Si相的生長起到限制作用，使共晶Si得到一定程度的細化[28]，見圖8。而在Z4合金中，元素分布情況見圖5b和圖6c，加入La/Ce后，Sr的分布還是和Si保持一致。合金中La/Ce的分布比較均勻，但在共晶Si附近含量相對更高，由此可以推斷在Si的生長前沿形成了Al-Si-Sr-RE薄層，對Si相生長的阻礙進一步增強，提升了變質效果，Si相得到進一步的細化，見圖8。

(a)合金Z2元素分析面掃描結果,(b)合金Z2元素分析線掃描結果,(c)合金Z4元素分析面掃描結果
圖6:不同合金TEM分析結果

表3:不同合金α-Al中Zn元素的固溶量  wb/%

(a)合金Z2中共晶α-Al固液界面(b)合金Z3共晶Si固液界面(c)合金Z4共晶Si固液界面
圖7:凝固過程共晶區域固液界面示意圖

2.2 力學性能

圖9是不同成分合金的應力應變曲線和平均力學性能。可以看出，Z1合金屈服強度為132 MPa、抗拉強度為296 MPa、伸長率為10.1%；加入2.5%的Zn之后，Z2合金屈服強度為148 MPa、抗拉強度為300 MPa、伸長率為8.6%；與合金Z1相比，合金Z2的屈服強度、抗拉強度分別提升12.1%、1.3%，而伸長率下降了14.9%。Z3合金的屈服強度為158 MPa、抗拉強度為314 MPa、伸長率為9.4%，和Z2合金相比，伸長率得到提升，但仍低于Z1合金。Z4合金的屈服強度為167 MPa、抗拉強度為324 MPa、伸長率為10.2%；與Z1合金相比，Z4合金的屈服強度、抗拉強度、伸長率分別提升26.5%、9.5%、1.0%，即在提升強度的同時保證伸長率不降低。

(a)不同成分合金的室溫力學性能       (b)工程應力-應變曲線
圖9:不同成分合金的應力應變曲線和室溫力學性能

從微觀組織看，Z1合金共晶組織中Si形態細小，分布均勻，因此表現出很好的伸長率。加入2.5%的Zn后，Zn主要固溶在α-Al中，對合金起到固溶強化作用，所以與Z1合金相比屈服強度得到提升；另一方面，Zn的加入使共晶Si尺寸增大，這些尺寸變大的共晶Si存在一些尖銳的折角，會發生應力集中，不利于伸長率。當提升Sr的含量，Z3合金中的共晶Si與Z2合金相比有一定程度的細化，第二相的細化一方面對強度有提升，同時細化的硅也能提升合金的伸長率。但也可以發現，硅的尺寸仍然較為粗大，且形狀復雜，與Z1合金相比伸長率更低。在加入RE元素后，Z4合金中共晶Si的尺寸進一步得到細化，Z4合金的伸長率和Z1合金相比基本保持不變，因此Z4合金具有最好的綜合性能，在保證固溶強化的同時，很好地改善了Zn元素對共晶Si的不利影響。

2.3 斷口觀察

圖10為不同成分合金的拉伸斷口形貌，在Z1、Z2、Z3、Z4合金的斷口處均能觀察到共晶Si、Al(Fe、Mn)Si相(紅色箭頭處)，另外存在一些裂紋(黃色箭頭處)，由于三者伸長率都超過8%，相對于常見壓鑄鋁合金，伸長率較高，因此也可觀察到韌窩的存在。Z1、Z4合金斷口形貌(圖10a、圖10d)中韌窩數量多，韌窩細小且深，斷口上的裂紋尺寸小(長度＜10μm)；合金Z2斷口(圖10b)上韌窩數量少，韌窩淺，裂紋尺寸大(長度為10~20 μm)；合金Z3斷口(圖10c)上韌窩結合了Z2合金、Z4合金的特點，存在一些尺寸小的深韌窩，也有尺寸大的淺韌窩。

(a) Z1合金 (b) Z2合金 (c) Z3合金 (d) Z4合金
圖10:不同合金成分斷口形貌

為了觀察試樣斷裂后裂紋的分布情況，斷口附近部位縱向的掃描電鏡顯微組織見圖11。Z1合金 (圖11a)斷口處可以明顯看到除了沿α-Al晶界處斷裂(紅色箭頭處)外，有部分α-Al發生變形斷裂(黃色箭頭處)。與共晶Si相比，α-Al屬于較軟的相，發生變形斷裂說明合金的伸長率好。在斷口附近部位，裂紋主要在晶界和塊狀Al(Fe、Mn)Si相處產生。Z2合金 (圖11b)斷口處主要是晶界處斷裂，在斷口附近區域裂紋尺寸較大而且數量明顯多于Z1合金，還可以觀察到一些針狀的共晶Si發生了斷裂(藍色箭頭處)，說明在這些尺寸較大的共晶Si處易產生應力集中，成為裂紋萌生點，因此裂紋除了分布在晶界和塊狀Al(Fe、Mn)Si相周圍，在共晶區內也能看到一些裂紋分布，這不利于合金的塑性改善。合金Z3(圖11c)相比于Z2合金，裂紋的尺寸減小，但仍大于Z1合金，在共晶區內也可以觀察到一些裂紋。Z4合金 (圖10d)與Z1合金的裂紋分布比較接近，裂紋尺寸很小，主要位于晶界和Al(Fe、Mn)Si相處。

(a) Z1合金 (b) Z2合金 (c) Z3合金 (d) Z4合金
圖11:不同合金的斷口縱向SEM照片

3、結論

(1)在Al-10Si-0.3Mg-0.6Mn合金中加入2.5%的Zn會使共晶Si尺寸增大，之后添加Sr和La/Ce混合稀土，共晶Si尺寸又重新細化。

(2)Zn的加入，可以提升合金的強度，但合金的伸長率下降；之后添加Sr和La/Ce之后，合金的強度和伸長率均得到提升，與合金Al-10Si-0.3Mg-0.6Mn相比，合金強度提升而伸長率不降低。

(3)在各合金斷口上都可觀察到韌窩，但加入Zn后，斷口處韌窩數量減少，斷口縱向觀察可以看到一些斷裂的針狀共晶Si；當共晶Si重新得到細化后，韌窩數量增多。

作者：

韓盼文 袁靈洋 Ghulam Asghar
上海交通大學材料科學與工程學院輕合金精密成型國家工程研究中心

劉保良
上海輕合金精密成型國家工程研究中心有限公司

胡志恒
上海永茂泰汽車零部件有限公司

付彭懷 彭立明
上海交通大學材料科學與工程學院輕合金精密成型國家工程研究中心
上海輕合金精密成型國家工程研究中心有限公司

本文來自：《特種鑄造及有色合金》雜志2021年第41卷第04期