分享：微量锆对 AlSn6Cu合金组织和力学性能的影响

翟 雍,赵 俊,孙绍波,韩新占

(上海涟屹轴承科技有限公司,上海 201100) 

摘 要:以添加 Al-5Zr中间合金的方式在铸态 AlSn6Cu合金中引入微量锆元素,研究了锆含 量(0~0.25%,质量分数)对合金组织和力学性能的影响。结果表明:锆元素的添加能明显细化晶 粒,添加0.25%锆可以将晶粒尺寸从1450μm 细化到280μm;随着锆含量的增加,合金的显微组 织经历了从树枝状到退化枝晶状或花瓣状,再到近球形的转变,β-Sn相经历了从颗粒状到蠕虫状, 再到网状的转变;添加锆元素后合金的抗拉强度均低于未添加锆元素合金,但随着锆含量增加,添 加锆元素合金的抗拉强度逐渐升高最后趋于稳定,该变化趋势是细晶强化和β-Sn相的晶界弱化相 互竞争的结果;随着锆含量增加,合金硬度先增大后降低。 

关键词:微量锆元素;晶粒细化;AlSn6Cu合金;枝晶形貌 

中图分类号:TG27 文献标志码:A 文章编号:1000-3738(2022)07-0076-06

0 引 言

铝锡轴瓦合金具有良好的顺应性、抗咬合性能 和耐蚀性,并且其价格便宜,密度较小,符合现代发 动机小型化、轻量化的发展方向,在发动机上作为轴 瓦材料得到一定应用。然而,铝锡轴瓦合金的强度 和承载能力较低,只能应用于低载荷场合,这严重限 制了铝锡轴瓦合金的应用。此外发动机技术的发展 也对发动机轴瓦提出了更高强度和承载能力的要 求[1-3]。因此,有必要开发性能更加优异的铝锡轴瓦 合金。

AlSn6Cu合金是一种铝基低锡合金材料,铸造合 金的晶粒一般为粗大的柱状晶,合金的性能可通过晶 粒细化得到改善。目前,已有使用磁控溅射法通过快速凝固细化晶粒的研究报道[4],但磁控溅射法对设备 要求高,生产效率低。通过添加微量合金元素细化晶 粒的方法则更简单且高效。研究发现:单独添加锆、 钪元素可在合金中形成 Al3Zr[5-7]、Al3Sc[8-9],联合添 加锆、钪元素则可以形成 Al3(Zr,Sc)[10-12],这些化合 物颗粒与α-Al具有较低的错配度,在凝固过程中可 以作为强有效的异质形核核心,起到细化晶粒的效 果;微量钇和锆元素的联合添加可以使初生的α-Al 晶粒变得圆整细小,二次枝晶间距减小,从而提高强 度[13]。目前,在 AlSn6Cu 合金中添加微量合金元 素的研究大多集中在热处理态材料上[14-20],有关微 量合金元素对铸态材料组织和性能的影响研究较 少[21]。为此,作者在 AlSn6Cu 合金中添加微量锆 元素,研究了锆含量对铸态 AlSn6Cu合金显微组织 和力学性能的影响。 

1 试样制备与试验方法 

1.1 试样制备 

试 验 原 料 为 纯 度 99.9% 的 纯 铝 锭、纯 度 99.95%的锡锭、Al-5Zr中间合金和 Al-50Cu中间合 金,均由苏州川茂金属材料有限公司提供。按照表 1配比称取原料,将纯铝锭在中频感应熔炼炉中熔 化,然后依次加入 Al-50Cu中间合金、Al-5Zr中间 合金和锡锭,待全部熔化后,使用石墨棒搅拌均匀, 升温到730 ℃保持2~3min,扒去合金熔体表面的 氧化渣,浇铸到预热至250 ℃的铸铁模具中,空冷, 最终得到尺寸为155mm×155mm×22mm(高度 155mm)的合金铸锭。计算得到当 Al-5Zr中间合 金 质 量 分 数 分 别 为 0,1%,2%,4%,5% 时, AlSn6Cu合金铸锭中锆含量(质量分数,下同)分别 为0,0.05%,0.10%,0.20%,0.25%。

1.2 试验方法 

在距离铸锭底部60mm 位置横向截取尺寸为 155mm×22mm×10mm 的金相试样,经磨抛先用 MX4R 型 光 学 显 微 镜 观 察 金 相 试 样 横 截 面 (155mm×22mm)正中心位置的β-Sn相形态;随 后,将金相试样在由5mLHF和100mLH2O 组成 的溶液中浅腐蚀2~5s,在 MX4R 型光学显微镜下 观察横截面正中心位置的枝晶形貌。浅腐蚀不足以 显现晶界,为了观察晶粒形貌,将浅腐蚀后的金相试 样再次浸入由5 mL HF+100 mL H2O 组成的溶 液中深腐蚀1~2 min,使用 AmScopeFMA050型 体视显微镜观察整个横截面的晶粒形貌,并在截面 上划分5条等距的水平直线,通过统计每条直线穿 过的晶粒数量计算晶粒尺寸,计算得到的晶粒尺寸 取其平均值。

在距离铸锭底部约60mm 位置横向截取尺寸 为155mm×22mm×10mm 的试样并加工成直径 8mm,标距 50 mm 的狗骨形拉伸试样,在 WDW- 30型万能拉伸试验机上进行室温拉伸试验,拉伸速 度为1mm·min-1,各测3个试样取平均值。使用 JSM-7800F型扫描电镜(SEM)观察拉伸断口形貌。 采用 HMAS-D100SZ型维氏显微硬度计测试铸锭 硬度,载荷为0.98N,加载时间为10s,各打8个点 取平均值。 

2 试验结果与讨论

2.1 锆含量对β-Sn相形貌的影响

由图 1 可 以 看 出:未 添 加 和 添 加 锆 元 素 的 AlSn6Cu合金均由基体α-Al相和分布在枝晶间隙 的β-Sn相组成,和文献[22]中观察到的组织类似。 未添加锆元素时,合金中的β-Sn相大多呈细小的颗 粒状,同时也有少量呈蠕虫状;添加锆元素后,β-Sn 相形状由颗粒状向蠕虫状转变,并且转变趋势随着 锆含量的增加越发明显,颗粒尺寸也增大;当锆含量 增至0.25%时,β-Sn相更加粗大,且呈网状。 2.2 锆含量对晶粒形貌和尺寸的影响 由图2 可 以 看 出:未 添 加 锆 元 素 时,AlSn6Cu 合金铸锭横截面边部区域为粗大的等轴晶,靠近中 心区域为柱状晶,晶粒比较粗大;添加0.10%锆后, 铸锭横截面边部和中心区域仍分别由等轴晶和柱状 晶组成,但边部的等轴晶和中心的柱状晶相比于未 添加锆元 素 时 均 发 生 细 化;当 锆 含 量 增 至 0.20% 时,横截面中心的柱状晶消失,组织全部由等轴晶组 成,晶粒明显细化,当锆含量继续增至0.25%时,晶 粒进一步得到细化。

由 图3可以看出,AlSn6Cu合金的晶粒尺寸随锆含量 增 加 而 减 小。 未 添 加 锆 时 的 晶 粒 尺 寸 为 1450μm,锆 含 量 增 至 0.25% 时 为 280 μm。 AlSn6Cu合金中的锆元素以 Al-5Zr中间合金的形 式加入,该中间合金中存在形状不规则的 Al3Zr相; Al3Zr相熔点较高,在铝熔体中比较稳定,并且与α- Al的原子间距错配值和界面错配值很小,具有多个 位向关系[5],是强有效的异质形核核心。随着锆含 量的增加,铝熔体中 Al3Zr的数量增加,合金的晶粒 细化效果越发明显。 

铸态 AlSn6Cu合金的晶粒内部一般存在非常 发达的枝晶组织,这种组织中存在两种界面:不同晶 粒之间的枝晶界和同一个晶粒内部的枝晶界。由图 4可以看出:未添加锆元素时,AlSn6Cu合金的显微 组织为非常发达的树枝晶组织,树枝晶生长错综复杂;当添加0.10%锆后,树枝晶开始退化,二次枝晶 长度减小;当锆含量为0.20%时,显微组织由树枝 状转变为花瓣状;当锆含量继续增至0.25%时,二 次枝晶基本退化,显微组织呈现近似球状

未引入锆元素时,铝晶粒为自发形核,只有达到 某一临界尺寸的晶胚才能长大成为晶核,故晶核数 量较少。晶核在长大过程中向固液界面前沿析出溶 质原子,造成某些局部位置成分过冷,晶体倾向于在 其棱角处优先生长,从而形成树枝状结构。由于晶 核数量较少,这些树枝状结构的生长空间非常大,最 终生长成发达的枝晶。因此,未添加锆元素时铸态 AlSn6Cu合金的晶粒形貌表现为柱状晶。当以添 加 Al-5Zr中间合金的方式引入锆元素时,铝熔体中 同步引入了 Al3Zr颗粒,在凝固过程中 Al3Zr颗粒 成为异质形核核心,增加了晶核数量,晶核生长的空 间 受 限 导 致 枝 晶 生 长 长 度 减 小。 当 锆 含 量 为 0.10%时,引入的 Al3Zr颗粒数量相对较少,晶粒形 貌仍表 现 为 柱 状 晶,但 明 显 细 化;当 锆 含 量 增 至 0.20%时,晶核数量进一步增加,树枝晶结构退化成 花瓣状结构,此时每个花瓣状结构均由一个晶核发 展而来,晶粒为等轴状;当锆含量达到0.25%时,晶 核密度非常高,晶核来不及发展成树枝状结构就与 相邻的晶核接触而停止生长,铝晶粒全部呈近球形, 每个近球形结构均由一个晶核发展而来,晶粒为等 轴状。

2.3 锆含量对力学性能的影响

由图5可以看出:添加锆元素后 AlSn6Cu合金 的抗拉强度均低于未添加锆元素合金,但随着锆含 量增加,添加锆元素合金的抗拉强度逐渐升高最后趋于稳定;显微硬度随锆含量的增加先增大后减小, 最大值出现在锆含量为0.1%时。显微硬度随锆含 量增加先增大的原因在于,在合金中引入锆元素的 同时也引入了硬度较高且细小弥散的 Al3Zr,当锆 含量达到0.1%后又减小的原因在于,铸态合金组 织中有粗大的 Al3Zr颗粒析出[23]。 

当合金发生塑性变形时,部分晶粒内的位错源 会先开动,并沿一定晶面产生滑移和增殖;晶界会阻 碍位错滑移,从而提高强度。因此一般而言,晶粒越 细,即晶界越多,强度越高。AlSn6Cu 合金的晶粒 尺寸随锆含量增加而减小,但抗拉强度却没有表现 出增大的趋势,推测抗拉强度的变化还与组织中β- Sn相形貌及分布有关[24]。分布在晶界的β-Sn相会 弱化晶界强度。未添加锆时,虽然合金晶粒粗大,但 β-Sn相呈颗粒状且非常细小,对晶界强度 影 响 较 小,位错需要在较大载荷作用下才能穿过晶界,因此 抗拉强度较高。当锆含量为0.05%时,合金晶粒细 化的效果还不是特别明显,但β-Sn相已有部分转变 为蠕虫状并且发生粗化,位错到达晶界时可沿着蠕 虫状的β-Sn软相进行运动,合金的抗拉强度明显降 低。随着锆含量的继续增加,晶粒细化效果越发明 显,细晶增强效果越发显著,弥补了β-Sn相形态转 变带来的强度下降,合金的抗拉强度逐渐增加。为 了验证这种猜测,对拉伸断口形貌进行观察。未添 加锆时合金的拉伸断口非常平整,位错穿过晶界运动,如图6(a)所示;添加0.25%锆元素时合金的拉 伸断口凹凸不平,位错沿着网状β-Sn相运动,如图 6(b)所示。这为上述猜测提供了更有力的证据,即AlSn6Cu合金的抗拉强度随锆含量的变化是细晶 强化作用和β-Sn相对晶界的弱化作用相互竞争的 结果。 

3 结 论

(1) 以 添 加 Al-5Zr 中 间 合 金 的 方 式 在 AlSn6Cu合金铸锭中引入锆元素,随着锆含量的增 加,合金晶粒逐渐细化,形貌由树枝状向退化的枝晶 状或花瓣状再向近球形转变,β-Sn相则发生由颗粒 状向蠕虫状再向网状的转变。

(2)添加锆元素 AlSn6Cu合金的抗拉强度均 低于未添加锆元素合金,但随着锆含量增加,添加锆 元素合金的抗拉强度逐渐升高最后趋于稳定;抗拉 强度的变化趋势是细晶强化和β-Sn的晶界弱化相 竞争的结果。随着锆含量增加,合金硬度先增大后 降低,最大值出现在锆质量分数为0.10%时。

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< 文章来源>材料与测试网 > 机械工程材料 > 46卷 >