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Material Sciences
Vol. 10  No. 10 ( 2020 ), Article ID: 38271 , 7 pages
10.12677/MS.2020.1010095

稀土Ce对ADC12铝合金铸态微观组织与性能的影响

黄正华1,2*，赵虎1,2，康跃华1,2，宋东福1,2，乡家发3

1广东省科学院材料与加工研究所，广东省金属强韧化技术与应用重点实验室，广东 广州

2广东省科学院材料与加工研究所，粤港轻合金先进制造技术联合研发中心，广东 广州

3肇庆南都再生铝业有限公司，广东 肇庆

收稿日期：2020年10月5日；录用日期：2020年10月20日；发布日期：2020年10月27日

摘要

采用重力铸造制备了ADC12-xCe (x = 0~1.92)合金铸态试样，利用光学显微镜(OM)、扫描电子显微镜(SEM)和X射线衍射仪(XRD)分析了其微观组织和相组成，测试了其流动性能和室温拉伸力学性能。结果表明，ADC12合金中添加Ce后，铸态组织得到明显细化，初生α-Al从粗大的树枝晶转变为细小的等轴晶和胞状晶，针状的共晶硅转变为细小的颗粒状，同时析出丝状和条状的新相Al4Ce，大多数第二相趋于以条状和纤维状存在。随着Ce含量的增加，铸态综合性能先提高后降低。ADC12合金流动长度、抗拉强度和伸长率分别为1287 mm、188 MPa和1.5%，流动性能最佳的ADC12-0.66Ce合金流动长度达到1340 mm，拉伸力学性能最佳的ADC12-1.07Ce合金抗拉强度和伸长率分别提高至196 MPa和2.5%。

关键词

铸造铝合金，Ce变质，微观组织，性能

Effect of Rare Earth Ce on As-Cast Microstructure and Properties of ADC12 Aluminum Alloy

Zhenghua Huang1,2*, Hu Zhao1,2, Yuehua Kang1,2, Dongfu Song1,2, Jiafa Xiang3

1Guangdong Provincial Key Laboratory of Metal Toughening Technology and Application, Institute of Materials and Processing, Guangdong Academy of Sciences, Guangzhou Guangdong

2Guangdong-Hong Kong Joint Research and Development Center on Advanced Manufacturing Technology for Light Alloys, Institute of Materials and Processing, Guangdong Academy of Sciences, Guangzhou Guangdong

3Zhaoqing Nandu Recycling Aluminum Co., Ltd., Zhaoqing Guangdong

Received: Oct. 5th, 2020; accepted: Oct. 20th, 2020; published: Oct. 27th, 2020

ABSTRACT

As-cast ADC12-xCe (x = 0 - 1.92) alloy samples were prepared by gravity casting. The microstructures and phase compositions were studied by optical microscope (OM), scanning electron microscope (SEM) and X-ray diffraction (XRD). Meanwhile, the flow property and tensile mechanical properties at ambient temperature were tested. The results show that as-cast microstructure is refined significantly when Ce is added into ADC12 alloy. Primary α-Al changes from the coarse dendrites to fine equixed and cellular grains, and eutectic silicon does from acicular to fibrous or granular shapes. Meanwhile, the filamentous and strip new phase Al4Ce is precipitated. Most of second phases tend to exist in the form of strip and fiber. With increasing the Ce content, as-cast comprehensive properties are first enhanced, and then reduced. The flow length, tensile strength and elongation of ADC12 alloy are 1287 mm, 188 MPa and 1.5%, respectively. The flow length of ADC12-0.66Ce alloy with best flow performance reaches 1340 mm. The tensile strength and elongation of ADC12-1.07Ce alloy with best tensile mechanical properties increase up to 196 MPa and 2.5%, respectively.

Keywords:Cast Aluminum Alloy, Ce Modification, Microstructure, Properties

Copyright © 2020 by author(s) and Hans Publishers Inc.

This work is licensed under the Creative Commons Attribution International License (CC BY 4.0).

http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/

1. 引言

Al-Si-Cu系铝合金呈现低的密度、良好的流动性能、热稳定性能和耐磨性能等优点，常作为铸造铝合金广泛应用于汽车、轮船、军工等领域 [1] [2] [3] [4] [5]。但是，该系合金主要问题是强度相对较低和塑性较差，特别是室温伸长率通常不超过2%，不能满足更广阔的应用需求，因此有必要通过合金化或改进制备工艺等手段来提高其强度和塑性。国内外研究人员已通过添加La [6] [7] [8] [9] 、Sm [10] [11] 、Y [12] [13] 等稀土RE来细化Al-Si-Cu系合金的组织、改善初生Si相的有害形貌和析出强化的新相，同时净化合金熔体，从而提高室温和高温拉伸力学性能等。与上述RE相比，Ce储量丰富，价格便宜，但迄今为止还没有研究人员开展含Ce的ADC12合金组织与性能的研究。为此，本文采用重力铸造制备添加0~1.92% Ce的ADC12合金的铸态力学性能试样和流动性能试样，详细考察其微观组织与性能，确定Ce的合适添加量，从而指导低成本高强韧、高流动性压铸铝合金的开发。

2. 实验方法

ADC12-xCe合金锭由工业ADC12合金锭(具体成分见表1)和Al-30%Ce (本文除特别指出外，均为质量百分比，wt%)中间合金熔炼而成。首先，将ADC12合金锭放入井式加热电阻炉的石墨坩埚中升温，待全部熔化后，加入称量好的Al-30%Ce中间合金，升温至1013 K，在1 h内搅拌2次，以保证熔体成分均匀性。然后，用钟罩将精炼剂和除气剂压入熔体底部上下搅动，进行扒渣和精炼，重复3次。接着升温至1033 K静置20 min，停止加热，待熔体冷却至953 K时，扒渣后分别浇注至预热温度为523 K的金属型楔形模具和螺旋形流动性模具，从而获得重力铸造铸态力学性能试样和流动性能试样。

Table 1. Composition of industrial ADC12 alloy ingot (weight percent, wt%)

表1. 工业ADC12合金锭的成分(质量百分比，wt%)

重力铸造获得的ADC12-xCe合金铸态力学性能试样经等离子体原子发射光谱仪(ICP, JY Ultima2)测得的Ce含量分别为0.66%、1.07%和1.92%。在铸态力学性能试样相同位置切取金相试样，经不同型号砂纸磨光和抛光布精抛后，用4 vol.%硝酸酒精腐蚀剂腐蚀数秒；接着在光学显微镜(OM，Leica DMI 3000M)和带有能谱仪(EDS，FEI Quanta 200)的扫描电子显微镜(SEM，MLA 200)上分析铸态微观组织。铸态试样的相组成在X射线衍射仪(XRD，SmartLab)上进行分析。加工好的小型拉伸试样在DNS200型万能材料拉伸试验机上进行室温拉伸，应变速率为1.3 ´ 10−3 s−1。用尺子测量流动性能试样的长度，来表征不同成分合金的流动性能。

3. 结果与讨论

3.1. 铸态组织

重力铸造制备的ADC12合金铸态组织主要由α-Al基体、黑色长针状或板条状相、浅灰色无规则相组成，板条状和骨骼状第二相分布杂乱。添加0.66% Ce后，铸态组织中枝晶粗大，粗大的针状共晶硅非均匀分布于晶界。添加1.07% Ce后，铸态组织中枝晶有所破碎，共晶硅尺寸减小，形状呈蜘蛛网状，第二相Al-Si-Fe为细长状穿插于共晶硅之间。添加1.92% Ce后，铸态组织中第二相不均匀分布于基体上，形状为片状、板条状，棱角明显，组织粗大，部分共晶硅被细化(见图1)。

图2为铸态ADC12-xCe合金的SEM微观组织，表2列出了图2中各点对应的EDS分析结果。重力铸造获得的ADC12合金铸态组织由黑色a-Al基体(见图2(a)中4#)、浅灰色无规则相(见图2(a)中1#)、浅灰色块状相(见图2(a)中2#)和深黑色板条状相(见图2(a)中3#)组成。添加Ce后，除存在上述相以外，还出现以丝状和条状存在的亮白色稀土相(见图2(a)中9#)、且随着Ce含量的增加而逐渐增多。添加0.66%后，铸态组织中白色稀土相大多数为点状，只存在极少数条状；添加1.07% Ce后，稀土相出现条状，且增多，存在于基体上，灰色点状相也有所增加；当Ce含量增加到1.92%时，大多数稀土相和非稀土相均以条状和纤维状存在。

Figure 1. OM microstructures of as-cast ADC12-xCe alloys. The illustrations in the lower left corner are the OM microstructures with greater magnification

图1. 铸态ADC12-xCe合金的OM微观组织，左下角插图为大倍数下的OM微观组织

Figure 2. SEM microstructures of as-cast ADC12-xCe alloys

图2. 铸态ADC12-xCe合金的SEM微观组织

Table 2. EDS results of each points in SEM microstructures of as-cast ADC12-xCe alloys (atomic percent, at.%)

表2. 铸态ADC12-xCe合金SEM微观组织中各点对应的EDS结果(原子百分比，at.%)

重力铸造获得的铸态ADC12合金的XRD谱由大量的a-Al基体、Si相和少量的Al2Cu、Al8SiFe2相的峰组成，而添加1.07% Ce后，铸态合金的XRD谱除存在上述四种相的峰外，还出现了Al4Ce相的峰(见图3)。这表明，ADC12合金加入Ce后生成的新稀土相应为Al4Ce。对比SEM微观组织可知，灰色块状第二相为Al2Cu相(见图2中5、7、8#)，灰色不规则状第二相为Al8SiFe2相(见图2中6#)，白色相为Al4Ce相(见图2中9#)。

Figure 3. XRD spectra of as-cast ADC12-xCe alloys

图3. 铸态ADC12-xCe合金的XRD谱

3.2. 铸态性能

重力铸造获得的铸态ADC12合金呈现良好的流动性能，流动长度可达到1287 mm。添加0.66% Ce，铸态合金的流动性能进一步提高，流动长度提高至1340 mm。但继续添加Ce (1.07%和1.92%)，合金流动长度却显著下降，甚至短于ADC12基础合金(见图4)。由微观组织看到，ADC12基础合金铸态组织主要由α-Al基体、针状Si相、小块状Al2Cu、骨骼状Al8SiFe2相组成，骨骼状和长条状相在凝固过程中会阻碍合金流动，减缓流动速度，因此流动性能整体一般。当添加0.66% Ce后，Ce在铸态组织中形成较多细小的颗粒状稀土相，同时骨骼状相减少，相尺寸变小，对合金熔体的流动阻力减小，因此流动性能得到一定提升。继续添加Ce (1.07%)，铸态组织中针状稀土相开始增多，且发生粗化，因此合金流动性能下降 [14] [15]。同时，适量Ce能减少熔体中的低熔点夹杂物，降低熔体粘度，同样能增加流动性能。但是过量Ce会加剧稀土相的富集，聚集到一定程度就有可能成为夹杂物，从而阻碍熔体的流动速率。

重力铸造获得的铸态ADC12合金室温综合拉伸力学性能一般，抗拉强度为188 MPa，而伸长率仅为1.5%。随着Ce含量的增加，铸态综合拉伸力学性能先提高后降低，在Ce含量为1.07%时抗拉强度和伸长率分别达到196 MPa和2.5%，特别是伸长率提高幅度达到67% (见图5)。Ce元素会使共晶温度降低，共晶温度抑制DTE可表示为：DTE = TEU − TEM，式中：TEU指未变质合金的共晶温度，TEM指变质合金的共晶温度，DTE > 0，所以使得枝晶凝固区间增大，从而合金在凝固过程中α-Al枝晶发生破碎，合金抗拉强度有所提高 [16]。添加适量Ce，铸态组织发生较明显的细化，且原先的有害针状Si相形态发生改变，转变为细小颗粒状，因此铸态合金伸长率有明显提高。但是随着Ce添加量的继续增多，稀土相越来越多，形状呈长条状，且发生粗化，易产生应力集中，因此铸态伸长率又有所降低。

(a) (b)

Figure 4. Macro-graphs (a) and flow length (b) of flow property samples of as-cast ADC12-xCe alloys

图4. 铸态ADC12-xCe合金的流动性能试样宏观图(a)和对应的流动长度(b)

Figure 5. Tensile mechanical properties of as-cast ADC12-xCe alloys

图5. 铸态ADC12-xCe合金的拉伸力学性能

4. 结论

(1) ADC12合金铸态组织由a-Al基体、Si相和少量Al2Cu、Al8SiFe2相组成；Ce的添加较明显地细化了铸态组织，初生α-Al由粗大的树枝晶转变为细小的胞状晶和等轴晶，有害的针状共晶硅转变为细小的颗粒状，出现新稀土相Al4Ce，含量逐渐增多，大多数稀土相和非稀土相趋于以条状和纤维状存在。

(2) 铸态ADC12合金流动长度、抗拉强度和伸长率分别为1287 mm、188 MPa和1.5%。随着Ce含量的增加，铸态合金综合性能先提高后降低。ADC12-0.66Ce合金流动性能最佳，流动长度达到1340 mm，而ADC12-1.07Ce合金拉伸力学性能最佳，抗拉强度和伸长率分别提高至196 MPa和2.5%。

基金项目

广东省科学院发展专项资金项目(2019GDASYL-0203002)；广东省重点领域研发计划项目(2020B010186002)；肇庆市科技项目(2018K006)；广州市科技项目(201906040007)。

文章引用

黄正华,赵 虎,康跃华,宋东福,乡家发. 稀土Ce对ADC12铝合金铸态微观组织与性能的影响
Effect of Rare Earth Ce on As-Cast Microstructure and Properties of ADC12 Aluminum Alloy[J]. 材料科学, 2020, 10(10): 799-805. https://doi.org/10.12677/MS.2020.1010095

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    17. NOTES

    *通讯作者。

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