YYVIP易游分享：锑、锶变质对合金组织及拉伸性能的影响

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　　随着汽车轻量化要求的提高以及新能源汽车的快速发展，汽车行业对轻质、高强铝合金材料的需求量越来越高[1-2]。现有铝合金在铸态下的性能较差，需要通过热处理进一步强化才能满足应用要求。但是传统的热处理具有效率低、能源消耗高以及铸件易出现起泡和变形等问题[3]。因此，国内外许多学者致力于研究开发免热处理铸造铝合金。Al-Mg-Si合金凭借其优异的力学性能和铸造性能，近年来成为免热处理铝合金中的研究热点[4]。其中，由德国莱茵菲尔德公司开发的Magsimal-59合金（名义成分为Al-5Mg-2Si-0.6Mn）已广泛应用于实际生产[5]。

　　常规铸造方法得到的Al-Mg-Si合金的铸态组织较粗大，共晶Mg2Si相呈粗大的汉字状，尖锐的棱角易引起裂纹扩展，从而降低材料的力学性能[6]。在实际生产中，常通过变质处理改变共晶Mg2Si相的形貌。目前，有关Al-Mg-Si合金晶Mg2Si相的变质主要集中在单一元素变质上[7]，也有少数学者研究了多种元素复合变质对共晶组织形貌的影响[8-9]。研究表明：锶元素可明显改变Al-Mg-Si合金中Mg2Si相的形貌，提升合金的力学性能[10]；锑元素可以使共晶Mg2Si相球化，有效缓解共晶相与铝基体之间的应力集中，降低裂纹萌生和扩展速率，从而有效提升合金的力学性能[11]。目前，锶和锑元素复合变质对Al-Mg-Si合金组织与力学性能的影响还缺乏深入的研究，2种元素之间的相互作用及其对共晶Mg2Si相变质的潜在机理需要进行进一步的分析与探索。为此，作者基于商用Magsimal-59合金成分，确定以Al-5.5Mg-2.5Si-0.6Mn免热处理铸造合金为研究对象，分别研究了锑单一变质、锑和锶元素复合变质对合金显微组织和拉伸性能的影响，以期为高性能免热处理Al-Mg-Si系合金的制备和生产提供理论指导。

　　试验原料包括工业纯铝、Al-20Mg中间合金、高纯硅、高纯锑、Al-10Mn中间合金、Al-10Sr中间合金、Al-5Ti-B中间合金以及C2Cl6等。按照表1中的成分进行配料，采用SG2-12-13型坩埚电阻炉熔化原料，制备未变质和锑、锶变质的Al-5.5Mg-2.5Si-0.6Mn合金。先将工业纯铝在750 ℃下加热熔化，然后放入高纯硅、Al-20Mn中间合金继续保温；待上述金属全部熔化后，将Al-20Mg中间合金分3次加入，每次保温5 min；待Al-20Mg中间合金完全熔化后，加入C2Cl6对熔体进行精炼扒渣，然后通30 min氩气进行精炼除气除渣；随后加入纯锑或者纯锑和Al-10Sr中间合金进行单一或复合变质，再加入Al-5Ti-B中间合金进行组织细化；最后，将熔体温度调整至浇注温度730 ℃并浇注至金属模具中，获得尺寸为10 mm×20 mm×70 mm的试验合金。

　　在试验合金中部截取金相试样，依次经400#、800#、1200#的SiC水砂纸打磨，再采用金刚石研磨膏粗抛、细抛后，利用体积分数0.5% HF溶液腐蚀10 s，用乙醇清洗，热风吹干后，采用LV100ND型光学显微镜观察合金的显微组织，用Image Pro软件统计每个试样中5个不同视野约200个α-Al相的晶粒尺寸并计算平均值。采用COXEM EM30型扫描电子显微镜（SEM）观察微观结构，并用SEM附带的能谱仪（EDS）进行元素面扫描。采用Netzsch DSC-404C型差示扫描量热仪（DSC）对试验合金进行差热分析，在测试过程中将合金温度由700 ℃降至20 ℃，冷却速率为10 K·min−1。按照ASTM E8/E8M-24 Standard Test Methods for Tension Testing of Metallic Materials标准，在试验合金上截取如图1所示的拉伸试样，采用Zwick-Roell Z250型拉伸试验机进行室温拉伸试验，拉伸速度为1 mm·min−1。采用SEM观察拉伸断口形貌。

　　根据Al-Mg-Si合金相图[12]，该成分合金主要由初生α-Al相（液相L→α-Al）和Al-Mg2Si共晶组织（L→α-Al+Al-Mg2Si）组成。由图2可以看出：在未变质的0Sb-0Sr合金中，白色的初生α-Al相呈等轴状且其尺寸较大，平均尺寸约为86.5 μm；由于冷却速率较高，深灰色Al-Mg2Si共晶组织呈短纤维状和点状，尺寸较小。当在合金中单一添加质量分数0.20%锑元素进行变质后，0.20Sb-0Sr合金中α-Al相变为尺寸较小的细枝晶，平均尺寸减小至37.6 μm，而共晶组织并未发生明显变化，仍保持细小的纤维状和点状。该现象说明锑的添加可以细化α-Al相的晶粒尺寸。锑和锶复合变质时，0.20Sb-0.03Sr合金中的α-Al相晶粒尺寸由锑单一变质时的37.6 μm增大至64.8 μm，共晶组织的层片间距变大，并且边缘处的Mg2Si开始出现近直角的弯折；0.20Sb-0.05Sr合金中的α-Al相的尺寸增加至78.2 μm，共晶组织几乎全部变为粗糙的迷宫状，说明共晶组织已变质完全；0.20Sb-0.10Sr合金的α-Al相的晶粒尺寸又减小至56.4 μm，但仍大于锑单一变质时的晶粒尺寸，共晶组织仍为迷宫状，层片间距略微减小。可见，锑和锶复合变质时α-Al相由锑单一变质时的细枝晶转变为粗枝晶，共晶组织由纤维状变为迷宫状，复合变质时随着锶含量的增加，α-Al相尺寸和共晶组织的片层间距均先增大后减小。

　　为了探究锑、锶元素对合金显微组织的影响机理，分别对0Sb-0Sr合金、0.2Sb-0Sr合金、0.2Sb-0.05Sr合金进行DSC测试。由图3可以看出：3种合金的冷却曲线个放热峰，分别对应初生α-Al相、共晶Mg2Si相的析出；与0Sb-0Sr合金相比，0.20Sb-0Sr合金中α-Al相的析出温度由617 ℃降低到609 ℃，共晶Mg2Si相的析出温度由590 ℃降低到589 ℃，这是因为添加的锑在初生α-Al相和共晶Mg2Si相凝固时产生成分过冷效应，从而使二者的析出温度降低[13]；与0Sb-0Sr合金相比，0.2Sb-0.05Sr合金中α-Al相和共晶Mg2Si相的析出温度几乎未发生变化。可知，单一添加锑引起的初生α-Al相和共晶Mg2Si相析出温度降低的现象，在复合添加锶后消失。

　　锑可以不断置换共晶Mg2Si相中的硅原子，反复干扰共晶Mg2Si相的生长过程，降低其生长速率，从而显著细化共晶Mg2Si相的尺寸[11]。然而，锑的加入并未明显改变Mg2Si相的形貌及尺寸，推测是由于试验条件下较快的冷却速率使得未变质合金中的共晶Mg2Si相非常细小，从而削弱了加入的锑元素对共晶Mg2Si相的影响效果。锑的加入导致α-Al相的析出温度降低，从而促进α-Al相的形核，因此α-Al相的尺寸明显减小。复合加入锶元素后，由于锶会吸附在共晶Mg2Si相表面，影响Mg2Si相的生长速率和生长方向，因此共晶Mg2Si相的形貌变化显著[14-15]。此外，锶的复合加入抵消了单一添加锑引起的相析出温度降低的变化，从而影响了锑元素带来的组织细化效果。综上，在试验条件下锑的单一变质效果优于锑和锶的复合变质效果。

　　由图4可以看出，与未变质合金相比，质量分数0.20%锑单一变质后合金的抗拉强度和断后伸长率分别由264 MPa，6.0%提高到280 MPa，9.8%。锑和锶复合变质后合金的性能大幅度下降，并且复合变质时随着锶含量的增加，抗拉强度和断后伸长率均先升后降。0.20Sb-0.03Sr合金晶Mg2Si相变质不完全，并且片层间距较大，这种形貌的Mg2Si相与基体结合不强，在拉伸过程中极易脱落[16]，导致抗拉强度和断后伸长率较低，分别为217 MPa和1.7%；0.20Sb-0.05Sr合金晶Mg2Si相变质完全，全部转变为迷宫状，Mg2Si相的长径比较0.20Sb-0.03Sr合金小，应力不易集中，合金的抗拉强度和断后伸长率略微回升，分别为246 MPa和2.8%；当锶质量分数增至0.10%时，合金的抗拉强度和断后伸长率又分别下降至236 MPa和2.1%。

　　由图5可以看出：未变质0Sb-0Sr合金的拉伸断口中韧窝数量较多，理解面的面积相对较小；0.2Sb-0Sr合金拉伸断口中存在大量细小的韧窝，呈典型的韧性断裂特征，该合金的拉伸性能最好；0.2Sb-0.03Sr合金拉伸断口中存在明显的裂纹和较大的解理面，这是由于粗大的Mg2Si与铝基体结合不强造成的；0.2Sb-0.05Sr合金晶Mg2Si相变质完全，断口解理面的面积相较0.2Sb-0.03Sr合金略微减小，其拉伸性能略好，但是此时断口产生了少量的微裂纹；0.2Sb-0.10Sr合金的拉伸断口中出现了明显的裂纹及缩孔缺陷。这是由于当锶含量过高时，锶在熔炼过程中有明显的吸气倾向，在凝固过程中这些气体无法从熔体中及时排除，会导致合金中形成气孔、热裂纹等缺陷[17]。气孔的存在可能影响液态金属的流动和补缩，因此合金中会形成缩孔。在拉伸过程中，裂纹会沿着缩孔扩展，严重恶化合金的性能，这也是添加质量分数0.10%锶时合金组织虽然较细小但是力学性能较差的原因。

　　锑单一变质后Al-Mg-Si合金的拉伸性能得到显著提升，主要归因于锑的添加使得合金中α-Al相细化起到的细晶强化效果，同时共晶Mg2Si相仍然维持细小的纤维状结构，可以缓解应力集中，降低裂纹的萌生和扩展速率。而锑和锶复合变质后α-Al相的尺寸增大，影响了细晶强化效果，同时改变了共晶Mg2Si相的形貌，使其片层间距变大，导致该相在拉伸过程中极易与基体脱离，加速裂纹的扩展；当锶的质量分数大于0.05%时，虽然合金组织细化，但合金中出现裂纹、缩孔等缺陷，这些都不利于提高合金的拉伸性能。

　　（1）质量分数0.20%锑元素单一变质后，试验合金中的初生α-Al相由变质前的等轴状变为枝晶形貌，平均晶粒尺寸增大，Al-Mg2Si共晶组织仍保持细小的纤维状；锑和锶复合变质后，α-Al相枝晶尺寸变大，共晶组织由纤维状变为迷宫状，当锶的质量分数达到0.05%时，共晶组织变质完全；锑和锶复合变质后随着锶质量分数由0.03%增加到0.10%，α-Al相尺寸和共晶组织的层片间距均先增大后减小。

　　（2）质量分数0.20%锑单一变质后试验合金的拉伸性能最好，与未变质合金相比其抗拉强度和断后伸长率分别提升了6.0%和63.3%，拉伸断口中存在大量细小的韧窝，呈典型的韧性断裂特征。锑和锶复合变质后，试验合金的拉伸性能大幅下降，且随着锶含量的增加，抗拉强度和断后伸长率均先升后降；拉伸断口由解理面、缩孔和裂纹组成。质量分数0.20%锑和质量分数0.05%锶复合变质后的抗拉强度和断后伸长率较质量分数0.20%锑单一变质后的分别降低13.8%和61.2%，锑的单一变质效果优于锑和锶的复合变质效果。

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